细小圆管内相变微胶囊悬浮液对流传热特性数值模拟研究

发布时间：2017-10-27 06:07

  本文关键词：细小圆管内相变微胶囊悬浮液对流传热特性数值模拟研究

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【摘要】：国民经济的迅速发展加剧了资源的消耗,致使能源逐渐匮乏,故提高能源的利用效率已成为当务之急,寻找一种新颖的储能/输运介质显得愈发重要。相变微胶囊悬浮液因储能密度高、表观比热大、减少传热介质的需求量以及降低泵功消耗等诸多特点,具有广泛的应用前景。论文对相关文献资料进行了研究回顾,获得相变微胶囊(MEPCM)颗粒相变过程的数学表达式,基于CFD-DPM模型,全面考虑MEPCM所受重力和Saffman升力以及MEPCM-流体、MEPCM-壁面间的相互作用,采用紊流双向耦合模型,对相变微胶囊悬浮液在细小圆管内对流传热特性进行数值模拟研究。构建CFD-DEM耦合框架,对细小圆管内颗粒未发生相变时的液固两相流对流传热特性进行数值模拟。(1)CFD-DPM模拟结果显示,管内相变微胶囊悬浮液温度分布呈现三个主要区域:未融化区域(RegionⅠ)、融化区域(RegionⅡ)和完全融化区域(RegionⅢ);相同条件下,纯水、无相变悬浮液和相变微胶囊悬浮液三种工况对应的流体出口温度及壁面温度均依次降低;沿管流方向,无相变悬浮液温度分布云图从规则的抛物线逐渐演变成更加凸出的曲线,相变微胶囊悬浮液温度分布云图则呈现具有尖峰的曲线。(2)随着MEPCM质量分数增加,相变微胶囊悬浮液流动压降增大,通过拟合得到了相变微胶囊悬浮液有效黏度与质量分数的关联式,与Vand黏度关联式预测值相吻合;主流区域的流体速度增大,近壁区域的流体速度减小;流体及壁面温度下降的幅度增大,对应的强化传热能力增强;同时,融化区域变长并不断向出口方向延伸;近壁区域的MEPCM颗粒最为密集,而主流区域浓度则相对较低,反映出紊流下颗粒相的非均匀分布特征。(3)入口流速和MEPCM颗粒生成总量相同的条件下,随着MEPCM粒径的增加,管内紊流流动压降升高;主流区域的流体速度随之变大,近壁区域的流体速度则相反;流体及壁面温度更低于纯水,对应的强化传热能力增强;同时,融化区域变长并不断向出口方向延伸;通过比较MEPCM粒径呈现Rosin-Rammler分布与单一粒径分布两种情况,发现流体及壁面温度沿管流方向的变化趋势保持良好的一致性,进一步证明了采用单一粒径模拟细小圆管内相变微胶囊悬浮液对流传热特性的结果具有较强的可靠性。(4)随着壁面热流密度增加,流体出口温度与壁面温度升高;近壁区域和主流区域的MEPCM融化的起始点与终止点越靠近入口方向,对应的相变融化区域越短;对于热流密度较小时,相变融化区域则相对变长。(5)CFD-DEM模拟结果显示,随着颗粒质量分数的增加,管道内颗粒的分布愈加密集;管道主流区域的颗粒速度较快,近壁区域的颗粒速度缓慢,因此颗粒在管道内的空间运动分布呈抛物面形态;沿管流方向单位长度压降增大,与CFD-DPM模拟结果一致。管道内颗粒温度呈现出与流体温度相似的抛物面分布,随着颗粒质量分数增加,相同温度分布的抛物面逐渐向出口方向移动;颗粒的扰动加快了流体的相互参混,使得流体与颗粒之间的温差逐渐缩小,强化了流体与颗粒之间的对流传热,这一现象随着质量分数的增加愈加明显。
【关键词】：相变微胶囊颗粒 恒定热流密度 离散相模型 离散单元法 数值模拟
【学位授予单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK124
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-9
• 主要符号表9-13
• 第一章 绪论13-28
• 1.1 研究背景及意义13-14
• 1.1.1 研究背景13-14
• 1.1.2 研究意义14
• 1.2 相变微胶囊14-19
• 1.2.1 相变材料14-15
• 1.2.2 相变微胶囊及其制备15-17
• 1.2.3 相变微胶囊的主要应用领域17-19
• 1.2.4 相变微胶囊悬浮液及其应用19
• 1.3 本课题国内外研究现状19-26
• 1.3.1 实验测定20-22
• 1.3.2 数值模拟22-26
• 1.4 本课题研究内容、目的及技术路线26
• 1.4.1 研究内容及目的26
• 1.4.2 技术路线26
• 1.5 创新点26-28
• 第二章 相变微胶囊悬浮液对流传热特性数值计算理论基础28-42
• 2.1 相变微胶囊颗粒及其悬浮液热物性参数28-31
• 2.1.1 密度28-29
• 2.1.2 黏度29
• 2.1.3 导热系数29
• 2.1.4 比热容29-31
• 2.2 相变微胶囊悬浮液强化传热机理31-33
• 2.2.1 相变微胶囊悬浮液与单相传热流体区别31
• 2.2.2 相变过程对悬浮液强化传热影响机理31-32
• 2.2.3 有效导热系数增大对悬浮液强化传热影响机理32
• 2.2.4 相变微胶囊悬浮液强化传热物理机制32-33
• 2.3 CFD-DPM数学模型33-37
• 2.3.1 液相控制方程34
• 2.3.2 颗粒运动方程34-35
• 2.3.3 流体与颗粒相间作用力35-36
• 2.3.4 连续相与离散相双向耦合36-37
• 2.4 CFD-DEM数学模型37-41
• 2.4.1 流体相控制方程37
• 2.4.2 颗粒相控制方程37-38
• 2.4.3 颗粒间接触模型38-40
• 2.4.4 连续相与离散相双向耦合40-41
• 2.5 本章小结41-42
• 第三章 模型有效性及相变强化传热研究42-51
• 3.1 计算模型42-44
• 3.1.1 物理模型42
• 3.1.2 数学模型42-43
• 3.1.3 定解条件43-44
• 3.1.4 数值求解44
• 3.2 模型有效性验证44-46
• 3.3 模拟结果与讨论46-50
• 3.3.1 两种悬浮液温度与壁面温度变化规律比较46-48
• 3.3.2 两种悬浮液强化传热能力比较48
• 3.3.3 两种悬浮液与纯水的温度分布比较48-50
• 3.4 本章小结50-51
• 第四章 基于CFD-DPM相变微胶囊悬浮液流动及传热特性模拟51-73
• 4.1 计算模型51
• 4.2 模拟结果与讨论51-71
• 4.2.1 相变微胶囊质量分数51-58
• 4.2.2 相变微胶囊颗粒粒径58-64
• 4.2.3 相变微胶囊颗粒Rosin-Rammler分布64-67
• 4.2.4 壁面热流密度67-71
• 4.3 本章小结71-73
• 第五章 基于CFD-DEM无相变液固两相流对流传热特性模拟73-84
• 5.1 CFD-DEM耦合理论73-76
• 5.1.1 CFD-DEM曳力模型73-75
• 5.1.2 对流传热模型75
• 5.1.3 辐射传热模型75-76
• 5.2 计算模型76-77
• 5.2.1 物理模型76
• 5.2.2 数学模型76-77
• 5.2.3 定解条件77
• 5.2.4 数值求解77
• 5.3 模拟结果与讨论77-83
• 5.3.1 管内的颗粒空间分布形态77-78
• 5.3.2 管内的三维颗粒速度变化78-80
• 5.3.3 管内的三维颗粒温度变化80-81
• 5.3.4 颗粒质量分数对流体强化传热的影响81-83
• 5.4 本章小结83-84
• 第六章 结论与展望84-86
• 6.1 结论84-85
• 6.2 展望85-86
• 参考文献86-92
• 攻读硕士期间主要成果92-93
• 致谢93

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本文编号：1102217