基于三维孔隙尺度含骨架固液相变过程特性研究
发布时间：2021-07-10 22:33
相变储能材料具有储能密度大、工作温度变化范围小以及受热时发生固态—液态—固态周期性存储和释放能量的特性,已经应用到建筑节能、电池热管理、太阳能发电等众多领域。然而大多数的相变材料由于导热系数较小,很大程度上影响了其在蓄热和放热过程中的速度,因此提高相变储能材料的导热性能具有重要的意义。在相变储能材料中加入高导热性能的骨架材料,为解决相变材料这一不足提供了有效方式。本文采用三维格子玻尔兹曼方法（LBM）,在分析固液相变过程和相界面发展、演化规律,以及多孔介质渗流和多相流理论的基础上,建立了描述糊状区的两区域模型,即在糊状区中低含液率区域,采用扩展达西渗流模型;在糊状区中高含液率区域,采用多相流模型。并对建立的数学模型进行了验证,验证结果与经典文献有很好的一致性。基于建立的两区域模型,首先对腔体内的纯相变材料融化蓄热过程进行了数值模拟。结果表明:1)随着无量纲参数Ra数的增加,腔体内自然对流引起的热浮升力增加,糊状区发生弯曲,并出现上窄下宽的形状,相变材料融化速率提高;2)随着Ste数的增加,腔体内相变材料自然对流换热能力增强,在相同的时间下,融化速率越快;3)随着相变温度半径θR的增加,...
【文章来源】：山东建筑大学山东省
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
固液相
山东建筑大学硕士论文122.1.2填充骨架固液相变的三维格子Boltzmann模型在本研究中，我们使用双分布格子玻尔兹曼方法D3Q19模型模拟在孔隙尺度下自然对流的熔融过程。速度和温度的演化方程及平衡态方程分别由式（2.19）~（2.22）表示为[82]itiiittiiF(x,tf(x,tf(x,tf,te(xf)])[1))eqf(2.19)itiiittiiSr(x,tg(x,tg(x,tg,te(xg)])[1))eqT(2.20)]22)(1[2s24s22seqrcurcuecuewfiiii])([totalstotalstotalseq2222422221cucuecueTwgiiii(2.21)(2.22)式中：fi(x,t)、gi(x,t)为t时刻x位置的微粒在i方向上的分布函数，简写成fi、gi；δt为格子时间步长；wi为权系数；ei为i方向上的格子速度；cs为格子声速；c为声速。图2展示了D3Q19模型，模型中的格子声速和权系数（式2.23）和离散速度（式2.27）表示为：cc3s222222361181031ccccciiii(2.23)111111110000110000011110000111100110000000111111110000110ie(2.24)图2.2D3Q19模型
山东建筑大学硕士论文14(5)重复步骤（2）~（4）直到满足收敛判据；(6)输出相应的宏观物理量。2.2多孔介质物理模型的建立多孔介质固体骨架（泡沫金属）由于其具有导热系数大、比表面积大、通孔率高、密度孝结构稳定等优点，对优化相变蓄热过程有很大作用。为了准确地预测骨架对固液相变过程的影响，众多学者做了大量研究。Bodla[83]等人为了获得泡沫金属的三维结构，采用微观Micro-CT设备和图像处理技术获得了多孔介质真实的内部结构信息。虽然该方法可以准确的得到泡沫金属的真实结构，但该方法不仅成本较高，且其内部微观孔隙结构的详细特征更多的依赖所选仪器的分辨率。因此在理论预测中大量学者经常采用人工构造的物理模型来刻画多孔介质的微观信息特征。Lu等人[84]为表征泡沫金属，开发了一种分析模型，该模型由细长圆柱体组成的简单立方晶胞泡沫，模型如图2.3所示，虽然模型简单，保留了骨架通孔率高、比表面积大、孔隙率高等结构特征，但该模型过分简化了由非圆形和锋利的韧带组成的金属泡沫中流体流动的计算，对数值结果可能存在过高估计。图2.3细长圆柱体骨架图2.4简单四棱柱骨架Li等人[85]为了研究多孔介质基体内相变材料的热行为，构造了如图2.4所示的多孔介质简化模型，模型结构由四棱柱组成，虽然模型结构规则简单，减少网格数量，节省计算资源，但对真实泡沫材料内部结构的描述还不够详细。为了更近一步的描述泡沫材料的内部结构，Sundarram等[86]和Annapragada等[87]采用面中心法（图2.5）和体中心法（图2.6）来描述泡沫材料，但其结构不规则，网格划分较困难，计算量较大，收敛较困难。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于孔隙尺度的多孔骨架对固液相变的影响[J]. 张艳勇,陈宝明,李佳阳,张自仕. 山东建筑大学学报. 2019(06)
[2]有机相变储能材料的研究进展[J]. 杨磊,姚远,张冬冬,叶灿滔,龚宇烈. 新能源进展. 2019(05)
[3]固-液相变糊状区的格子Boltzmann研究[J]. 陈宝明,郜凯凯,姜昊. 工程热物理学报. 2017(11)
[4]基于LBM的多孔骨架热物性对固液相变的影响研究[J]. 宋林泉,陈宝明,郜凯凯. 山东建筑大学学报. 2017(04)
[5]面向组织工程的松质骨微观结构TPMS建模方法[J]. 王清辉,夏刚,徐志佳,李静蓉. 计算机辅助设计与图形学学报. 2016(11)
[6]泡沫金属内相变材料融化的格子Boltzmann方法孔隙尺度模拟研究[J]. 杲东彦,陈振乾,孙东科. 工程热物理学报. 2016(02)
[7]泡沫铜强化石蜡相变蓄热特性的数值分析[J]. 姚元鹏,吴慧英,刘振宇. 热科学与技术. 2015(02)
[8]开孔泡沫铝内石蜡融化相变过程的可视化实验研究[J]. 杲东彦,陈振乾,陈凌海. 化工学报. 2014(S1)
[9]孔密度对泡沫金属基相变材料融化传热的影响——格子Boltzmann方法数值模拟[J]. 杲东彦,陈振乾. 太阳能学报. 2012(09)
[10]泡沫金属内石蜡相变凝固的数值模拟[J]. 陈振乾,顾明伟,施明恒. 热科学与技术. 2010(02)
博士论文
[1]多层/梯度多孔材料的设计及其吸声与强化传热性能研究[D]. 王柏村.浙江大学 2016
硕士论文
[1]含多孔骨架的储能材料固液相变界面传递机理研究[D]. 张自仕.山东建筑大学 2019
[2]储能材料相变过程传热特性实验研究[D]. 张洋洋.山东建筑大学 2018
[3]多孔介质腔体内固液相变界面特性的LBM三维数值研究[D]. 宋林泉.山东建筑大学 2018
[4]基于格子-Boltzmann方法的固液相变界面特性研究[D]. 郜凯凯.山东建筑大学 2017
[5]基于三周期极小曲面的模型轻量化方法[D]. 冯紫鑫.大连理工大学 2017
[6]基于LBM含多孔骨架储能材料的固液相变传热研究[D]. 姜昊.山东建筑大学 2016
[7]泡沫铝/石蜡复合相变材料蓄热性能数值研究[D]. 成骥.北京交通大学 2016
本文编号：3276767
【文章来源】：山东建筑大学山东省
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
固液相
山东建筑大学硕士论文122.1.2填充骨架固液相变的三维格子Boltzmann模型在本研究中，我们使用双分布格子玻尔兹曼方法D3Q19模型模拟在孔隙尺度下自然对流的熔融过程。速度和温度的演化方程及平衡态方程分别由式（2.19）~（2.22）表示为[82]itiiittiiF(x,tf(x,tf(x,tf,te(xf)])[1))eqf(2.19)itiiittiiSr(x,tg(x,tg(x,tg,te(xg)])[1))eqT(2.20)]22)(1[2s24s22seqrcurcuecuewfiiii])([totalstotalstotalseq2222422221cucuecueTwgiiii(2.21)(2.22)式中：fi(x,t)、gi(x,t)为t时刻x位置的微粒在i方向上的分布函数，简写成fi、gi；δt为格子时间步长；wi为权系数；ei为i方向上的格子速度；cs为格子声速；c为声速。图2展示了D3Q19模型，模型中的格子声速和权系数（式2.23）和离散速度（式2.27）表示为：cc3s222222361181031ccccciiii(2.23)111111110000110000011110000111100110000000111111110000110ie(2.24)图2.2D3Q19模型
山东建筑大学硕士论文14(5)重复步骤（2）~（4）直到满足收敛判据；(6)输出相应的宏观物理量。2.2多孔介质物理模型的建立多孔介质固体骨架（泡沫金属）由于其具有导热系数大、比表面积大、通孔率高、密度孝结构稳定等优点，对优化相变蓄热过程有很大作用。为了准确地预测骨架对固液相变过程的影响，众多学者做了大量研究。Bodla[83]等人为了获得泡沫金属的三维结构，采用微观Micro-CT设备和图像处理技术获得了多孔介质真实的内部结构信息。虽然该方法可以准确的得到泡沫金属的真实结构，但该方法不仅成本较高，且其内部微观孔隙结构的详细特征更多的依赖所选仪器的分辨率。因此在理论预测中大量学者经常采用人工构造的物理模型来刻画多孔介质的微观信息特征。Lu等人[84]为表征泡沫金属，开发了一种分析模型，该模型由细长圆柱体组成的简单立方晶胞泡沫，模型如图2.3所示，虽然模型简单，保留了骨架通孔率高、比表面积大、孔隙率高等结构特征，但该模型过分简化了由非圆形和锋利的韧带组成的金属泡沫中流体流动的计算，对数值结果可能存在过高估计。图2.3细长圆柱体骨架图2.4简单四棱柱骨架Li等人[85]为了研究多孔介质基体内相变材料的热行为，构造了如图2.4所示的多孔介质简化模型，模型结构由四棱柱组成，虽然模型结构规则简单，减少网格数量，节省计算资源，但对真实泡沫材料内部结构的描述还不够详细。为了更近一步的描述泡沫材料的内部结构，Sundarram等[86]和Annapragada等[87]采用面中心法（图2.5）和体中心法（图2.6）来描述泡沫材料，但其结构不规则，网格划分较困难，计算量较大，收敛较困难。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于孔隙尺度的多孔骨架对固液相变的影响[J]. 张艳勇,陈宝明,李佳阳,张自仕. 山东建筑大学学报. 2019(06)
[2]有机相变储能材料的研究进展[J]. 杨磊,姚远,张冬冬,叶灿滔,龚宇烈. 新能源进展. 2019(05)
[3]固-液相变糊状区的格子Boltzmann研究[J]. 陈宝明,郜凯凯,姜昊. 工程热物理学报. 2017(11)
[4]基于LBM的多孔骨架热物性对固液相变的影响研究[J]. 宋林泉,陈宝明,郜凯凯. 山东建筑大学学报. 2017(04)
[5]面向组织工程的松质骨微观结构TPMS建模方法[J]. 王清辉,夏刚,徐志佳,李静蓉. 计算机辅助设计与图形学学报. 2016(11)
[6]泡沫金属内相变材料融化的格子Boltzmann方法孔隙尺度模拟研究[J]. 杲东彦,陈振乾,孙东科. 工程热物理学报. 2016(02)
[7]泡沫铜强化石蜡相变蓄热特性的数值分析[J]. 姚元鹏,吴慧英,刘振宇. 热科学与技术. 2015(02)
[8]开孔泡沫铝内石蜡融化相变过程的可视化实验研究[J]. 杲东彦,陈振乾,陈凌海. 化工学报. 2014(S1)
[9]孔密度对泡沫金属基相变材料融化传热的影响——格子Boltzmann方法数值模拟[J]. 杲东彦,陈振乾. 太阳能学报. 2012(09)
[10]泡沫金属内石蜡相变凝固的数值模拟[J]. 陈振乾,顾明伟,施明恒. 热科学与技术. 2010(02)
博士论文
[1]多层/梯度多孔材料的设计及其吸声与强化传热性能研究[D]. 王柏村.浙江大学 2016
硕士论文
[1]含多孔骨架的储能材料固液相变界面传递机理研究[D]. 张自仕.山东建筑大学 2019
[2]储能材料相变过程传热特性实验研究[D]. 张洋洋.山东建筑大学 2018
[3]多孔介质腔体内固液相变界面特性的LBM三维数值研究[D]. 宋林泉.山东建筑大学 2018
[4]基于格子-Boltzmann方法的固液相变界面特性研究[D]. 郜凯凯.山东建筑大学 2017
[5]基于三周期极小曲面的模型轻量化方法[D]. 冯紫鑫.大连理工大学 2017
[6]基于LBM含多孔骨架储能材料的固液相变传热研究[D]. 姜昊.山东建筑大学 2016
[7]泡沫铝/石蜡复合相变材料蓄热性能数值研究[D]. 成骥.北京交通大学 2016
本文编号：3276767
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