基于格子Boltzmann方法的镓熔化特性及电对流强化固液相变研究
发布时间：2022-01-23 16:30
固液相变过程广泛存在于工业余热回收、电子设备热管理和太阳能储存等工业实践中,研究固液相变过程的基本特性对于工业生产实践具有指导性意义。研究发现在自然状态下固液相变过程往往进行非常缓慢,这限制了固液相变储能技术在太阳能的高效与快速储存中的应用,如何提升相变材料的融化速率是当前的一个研究热点。当前的固液相变数值模拟研究往往假设固相区不发生导热,数值模拟的结果与实际过程相去甚远,无法全面地探究固液相变过程的基本流动、传热和熔化特性。考虑到以上情况,首先不考虑固相区导热,对比研究了镓和锡在侧壁加热和底部加热下的熔化特性,随后研究了考虑固相区导热影响的不等温下金属镓的熔化和凝固过程,对比考虑和不考虑固相区导热条件下的熔化特性。固液相变的强化技术可以分为被动强化技术和主动强化技术。针对被动相变强化技术,本文提出采用不产生额外能耗的加热模式提升融化效率,该方法通过改善热壁面附近速度场与温度梯度场的协同增强对流换热,从而加速相变进程。针对主动相变强化技术,本文采用额外能耗较低的电场强化技术,研究电对流作用下相变材料的熔化过程。本文主要开展了以下研究:根据格子Boltzmann方法的基本理论,给出在固液...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
本文各章研对流强化固液相变研究第3章固液相变本特性研
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-7-立了固液相变格子Boltzmann模型，该模型包括了四个格子Boltzmann方程，依次用于求解速度尝温度尝电荷密度分和电势分布。通过Chapman-Enskog分析四个格子Boltzmann方程依次恢复到宏观方程（见附录）。利用建立的模型进行电场强化固液相变的模拟。首先分析了电场强化固液相变的基本流动、传热和融化特性，随后系统地分析了电瑞利数、无量纲电荷迁移率、电荷注入强度和无量纲电荷扩散率的影响。为了更好地测试EHD的强化效应，研究了不同加热方向和电荷注入方向下电对流对固液相变的强化效应，发现采用侧壁加热侧壁注入电荷比底部加热底部注入电荷能够更好地电场的强化作用。采用侧壁加热侧壁注入模拟了不等温熔化过程，发现电场的作用能使熔化时间最高缩短约50%。图1-2本文各章研究内容及总体框架第2章固液相变基本理论及格子Boltzmann模型基于格子Boltzmann方法的镓融化特性与电对流强化固液相变研究第5章电对流强化固液相变建模和研究第4章新型加热模型提升融化效率第3章固液相变基本特性研究
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-21-壁面处平均努塞尔数Nu随Fo的演化，同时还能准确地捕捉高Ra下Nu的振荡。这表明当前代码在模拟等温融化时准确性良好，满足使用要求。3.1.2固液相变自然对流和固液相变Rayleigh-Benard对流基本特性方腔内的固液相变过程根据加热方向可以分为侧壁加热和底部加热这两种最常见的情况，由于顶部加热是导热熔化过程，本文不予考虑。两种加热模型的示意图见图3-3。不同的方向导致在融化过程中液相区出现两种不同的自然对流，侧壁加热形成（普通）自然对流，底部加热形成Rayleigh-Bernard对流，本文将两种加热方向下的相变过程分别称为固液相变自然对流和固液相变Rayleigh-Bernard对流。以纯物质金属镓的等温熔化过程为例，研究这两种最常见的固液相变自然对流的基本特性。图3-3侧壁加热模型（左）及底部加热模型（右）051015200246conductionRa=1.5*105leftRa=1.5*105belowNusseltnumberNuFouriernumberFoRa=5*103leftRa=5*103belowRa=5*104leftRa=5*104below0510150.00.20.40.60.81.0LiquidfractionflFouriernumberFoconductionRa=5*103leftRa=5*103belowRa=5*103leftRa=5*103belowRa=5*103leftRa=5*103below图3-4不同Ra下两种加热方向的对比：fl（左）和Nu（右）分别计算了Ra=5×103，5×104和1.5×105和导热融化（Ra=0）四种工况，图3-4给出了两种加热模型熔化过程的fl和Nu随Fo的变化，它们分别表示熔化过程的快慢和对流换热作用的强弱。从图中可以看出以下基本特性：（1）Ra越大，对流换热作用越强，熔化越快。liquidsolidcT=Tu=0v=0T=Tcu=0v=0T=Thu=0v=0adiabaticu=0v=0adiabaticgllxy
【参考文献】：
期刊论文
[1]对流换热的物理机制及其控制:速度场与热流场的协同[J]. 过增元. 科学通报. 2000(19)
本文编号：3604739
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
本文各章研对流强化固液相变研究第3章固液相变本特性研
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-7-立了固液相变格子Boltzmann模型，该模型包括了四个格子Boltzmann方程，依次用于求解速度尝温度尝电荷密度分和电势分布。通过Chapman-Enskog分析四个格子Boltzmann方程依次恢复到宏观方程（见附录）。利用建立的模型进行电场强化固液相变的模拟。首先分析了电场强化固液相变的基本流动、传热和融化特性，随后系统地分析了电瑞利数、无量纲电荷迁移率、电荷注入强度和无量纲电荷扩散率的影响。为了更好地测试EHD的强化效应，研究了不同加热方向和电荷注入方向下电对流对固液相变的强化效应，发现采用侧壁加热侧壁注入电荷比底部加热底部注入电荷能够更好地电场的强化作用。采用侧壁加热侧壁注入模拟了不等温熔化过程，发现电场的作用能使熔化时间最高缩短约50%。图1-2本文各章研究内容及总体框架第2章固液相变基本理论及格子Boltzmann模型基于格子Boltzmann方法的镓融化特性与电对流强化固液相变研究第5章电对流强化固液相变建模和研究第4章新型加热模型提升融化效率第3章固液相变基本特性研究
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-21-壁面处平均努塞尔数Nu随Fo的演化，同时还能准确地捕捉高Ra下Nu的振荡。这表明当前代码在模拟等温融化时准确性良好，满足使用要求。3.1.2固液相变自然对流和固液相变Rayleigh-Benard对流基本特性方腔内的固液相变过程根据加热方向可以分为侧壁加热和底部加热这两种最常见的情况，由于顶部加热是导热熔化过程，本文不予考虑。两种加热模型的示意图见图3-3。不同的方向导致在融化过程中液相区出现两种不同的自然对流，侧壁加热形成（普通）自然对流，底部加热形成Rayleigh-Bernard对流，本文将两种加热方向下的相变过程分别称为固液相变自然对流和固液相变Rayleigh-Bernard对流。以纯物质金属镓的等温熔化过程为例，研究这两种最常见的固液相变自然对流的基本特性。图3-3侧壁加热模型（左）及底部加热模型（右）051015200246conductionRa=1.5*105leftRa=1.5*105belowNusseltnumberNuFouriernumberFoRa=5*103leftRa=5*103belowRa=5*104leftRa=5*104below0510150.00.20.40.60.81.0LiquidfractionflFouriernumberFoconductionRa=5*103leftRa=5*103belowRa=5*103leftRa=5*103belowRa=5*103leftRa=5*103below图3-4不同Ra下两种加热方向的对比：fl（左）和Nu（右）分别计算了Ra=5×103，5×104和1.5×105和导热融化（Ra=0）四种工况，图3-4给出了两种加热模型熔化过程的fl和Nu随Fo的变化，它们分别表示熔化过程的快慢和对流换热作用的强弱。从图中可以看出以下基本特性：（1）Ra越大，对流换热作用越强，熔化越快。liquidsolidcT=Tu=0v=0T=Tcu=0v=0T=Thu=0v=0adiabaticu=0v=0adiabaticgllxy
【参考文献】：
期刊论文
[1]对流换热的物理机制及其控制:速度场与热流场的协同[J]. 过增元. 科学通报. 2000(19)
本文编号：3604739
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