基于LBM含多孔骨架储能材料的固液相变传热研究

发布时间：2017-04-06 02:02

  本文关键词：基于LBM含多孔骨架储能材料的固液相变传热研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：多孔介质内固液相变传热流动过程广泛存在于自然界和工程领域中,例如土壤冻融、相变储能、建筑节能、电子设备散热、枝晶生长等。深入研究含多孔骨架储能材料的固液相变传热规律,尤其是固液相变过程固液共存的区域——糊状区内的传热、流动特性,有助于揭示多孔介质内固液相变机理,可为工程应用提供必要的理论依据,具有十分重要的科学意义和实用价值。本文基于孔隙尺度,采用遵循质量守恒、能量守恒和动量守恒定律的连续性方程、动量方程和能量方程,建立了含多孔骨架储能材料的固液相变传热与流动过程的数学模型。其中,孔隙内固液相变过程中温度场与含液率分布采用焓法耦合求解,糊状区被简化为REV尺度多孔介质,即采用焓-多孔介质模型,通过Brinkmann-Forchheimer-Darcy渗流模型,以含液率作为加权参数建立一区域方程描述含多孔骨架储能材料的固液相变流动过程,而相变过程采用焓法处理。针对含多孔骨架的储能材料固液相变数学模型,采用介观数值计算方法——格子Boltzmann方法(LBM)进行求解。通过选择合适的平衡态分布函数及非线性源项形式,建立了基于孔隙尺度的流动与传热双分布LBM模型,其中流场与温度场均采用D2Q9格子模型离散。通过多种模型的经典解对含多孔骨架的储能材料固液相变LBM模型的有效性进行了检验。首先采用LBM针对无多孔骨架的方腔内固液相变过程进行分析,以获得相变过程及糊状区的基本规律,为含多孔骨架储能材料的固液相变数值模拟及分析奠定基础。在方腔内固液相变的基础上,为了深入探索多孔介质内固液相变的流动传热机理,基于孔隙尺度层面,采用LBM对含多孔骨架储能材料的固液相变过程进行模拟研究。对无多孔骨架的方腔内固液相变研究结果表明：1)受自然对流影响,糊状区是弯曲的,并且其对腔体内速度场有十分明显的影响,当Fo数大于一定值时,固液相变进入准稳态,此时融化率不会到达1；2)相变半径越小,糊状区的宽度越小,左壁面平均Nu数越大,但相变半径对融化率影响并不大；3)Ste数越小,相变速度越慢,左壁面平均Nu数达到稳定的时间越长,但Ste数对准稳态融化率影响不大；4)Ra数越大,融化速率越快,且准稳态时的融化率越大,自然对流对左壁面平均Nu数影响越大,若Ra数增大到一定程度,左壁面平均Nu数会出现先迅速降低、后略微增大最后减小并稳定的波动变化过程；5)左壁面平均Nu数随着Pr数增大而增大,但在高Pr数工况下,无糊状区时左壁面平均Nu数基本不受Pr数影响,而糊状区会使PR数增加对Nu数的影响增大。对含多孔骨架的固液相变研究表明：1)在相变前期,低孔隙率的融化速率要略高于高孔隙率,但进入准稳态时,高孔隙率的融化率以及融化速率要明显高于低孔隙率工况,孔隙率越低,左壁面平均Nu数越小；2)多孔骨架孔隙结构对液相在孔隙中流动影响较大,而对于传热以及融化率影响较小：液相在孔隙中的流动阻力越大,准稳态融化率越低,左壁面平均Nu越小；3)多孔骨架几何形态不同时,相变过程还会受到传热差异造成的影响：圆形和方形骨架的左壁面平均Nu数明显大于三角形骨架,已融化的液相在圆形和方形骨架孔隙中最大流速要明显大于三角形骨架,由于圆形骨架对流动阻碍较小,最有利于促进相变融化过程,但与高导热率多孔骨架类似,由于对传热的促进,反而会降低准稳态阶段的融化率。
【关键词】：固液相变 糊状区 多孔骨架 格子Boltzmann方法
【学位授予单位】：山东建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB34
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 研究背景和意义11-12
• 1.2 多孔介质内固液相变传热研究现状12-13
• 1.3 格子Boltzmann方法在多孔介质传热研究中的应用13-14
• 1.4 格子Boltzmann方法在固液相变传热研究中的应用14-15
• 1.5 本文的主要研究内容15-17
• 第2章 多孔介质内固液相变的LBM模型17-30
• 2.1 多孔介质内固液相变的数学模型17-22
• 2.1.1 基于孔隙尺度的数学模型17-20
• 2.1.2 固液相变的糊状区数学模型20-22
• 2.2 多孔介质内格子Boltzmann模型22-26
• 2.2.1 LBM基本模型22-25
• 2.2.2 广义LBM模型25-26
• 2.3 多孔介质内固液相变的热格子Boltzmann模型26-29
• 2.3.1 孔隙尺度的相变LBM模型26-28
• 2.3.2 糊状区的相变LBM模型28-29
• 2.4 小结29-30
• 第3章 格子Boltzmann方法模型验证30-39
• 3.1 LBM模型参数设置30-31
• 3.2 网格无关性检验31-32
• 3.3 方腔内固液相变的LBM模型验证32-34
• 3.4 流固耦合的LBM模型验证34-35
• 3.5 REV尺度的LBM模型验证35-38
• 3.6 小结38-39
• 第4章 方腔内固液相变数值模拟39-54
• 4.1 方腔内固液相变的传热流动过程研究39-47
• 4.1.1 糊状区内传热流动研究39-43
• 4.1.2 相变半径对固液相变过程的影响43-45
• 4.1.3 Ste数对固液相变过程的影响45-47
• 4.2 Ra数对固液相变过程的影响47-50
• 4.3 Pr数对固液相变过程的影响50-51
• 4.4 小结51-54
• 第5章 含多孔骨架储能材料的固液相变数值模拟54-68
• 5.1 多孔骨架对固液相变过程影响54-57
• 5.2 孔隙率对固液相变过程影响57-60
• 5.3 孔隙结构对固液相变过程影响60-65
• 5.3.1 多孔骨架排列方式对固液相变过程影响60-61
• 5.3.2 多孔骨架几何形态对固液相变过程影响61-64
• 5.3.3 骨架疏密度对固液相变过程影响64-65
• 5.4 小结65-68
• 第6章 结论及展望68-70
• 6.1 主要结论68-69
• 6.2 课题展望69-70
• 参考文献70-75
• 主要符号表75-77
• 致谢77-78
• 攻读硕士学位期间论文发表及科研情况78

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 徐伟;孙德宇;;中国被动式超低能耗建筑能耗指标研究[J];动感(生态城市与绿色建筑);2015年01期

2 郑斌;李菊花;;基于Kozeny—Carman方程的渗透率分形模型[J];天然气地球科学;2015年01期

3 柴振华;郭照立;施保昌;;利用多松弛格子Boltzmann方法预测多孔介质的渗透率[J];工程热物理学报;2010年01期

4 江泽民;;对中国能源问题的思考[J];上海交通大学学报;2008年03期

5 钱吉裕;李强;宣益民;;Lattice-Boltzmann方法计算多孔介质内固液相变问题[J];自然科学进展;2006年04期

6 钱吉裕,李强,余凯,宣益民;确定复杂多孔材料有效导热系数的新方法[J];中国科学E辑:工程科学 材料科学;2004年11期

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1 邵九姑;用格子Boltzmann方法模拟研究多孔介质中的传质传热问题[D];浙江师范大学;2012年

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本文编号：288044