部分填充多孔介质通道内流体流动及传热特性研究

发布时间：2021-07-08 15:37

多孔介质与流体构成复合区域的热质交换问题广泛存在于生物自然界和人类社会各行各业之中。其中含多孔介质通道内受迫流动问题的研究,对农产品储藏、环境污染治理、建筑保温以及化工业等工程均有极其重要的利用价值和实际意义。近年来越来越多的学者对多孔介质层与纯流体组成的复合区域热质交换机理问题进行了大量研究,但针对于多孔介质与流体的交界面区域的理论和实验研究较少。而交界面处流动及传热特性对复合区域的流动及传热有明显的影响,因此,对多孔介质与流体构成的交界面区域的深入研究有较高的科学价值,为宏观传热传质机理提供了理论参考。填充多孔介质的通道强迫对流中流体流速、多孔介质属性参数等均对通道内流场、温度场以及交界面滑移效应有明显的作用,现有研究多侧重对宏观温度场和速度场的影响,对滑移效应研究较少。本文先对填充多孔介质通道内流体受迫对流问题进行了理论分析,采用一区域模型对其物理模型进行数学描述,建立了受迫对流的数学模型,并采用有限元数值模拟方法对其进行求解。结合计算机断层扫描技术构造真实多孔介质模型,分别对人工构造多孔介质及真实多孔介质的通道腔体进行模拟分析。本文模拟了多种工况下部分填充多孔介质通道内温度场及速度场变化情况,进一步对复合区域内传热传质机理进行了分析,重点分析了多孔介质填充比例Φ、达西数Da、多孔介质孔隙结构、导热特性K、雷诺数Re及热流密度q等对通道内流体流动和传热的影响,并着重分析了各项因素对多孔介质与流体交界面区域的应力跳跃效应、热滑移特性的影响。通过对通道内受迫对流模型的计算,分析模拟结果发现：多孔介质填充比例Φ、达西数Da对通道内流体流动及传热有明显的影响；有序的改变多孔介质孔隙结构可以有效的加强通道内换热效果；通道内流体雷诺数Re和达西数Da对交界面区域的应力滑移效应影响十分明显。Re越大,应力跳跃系数越大；应力跳跃系数与达西数成反比；交界面处热滑移特性均随多孔介质导热特性K的增强和通道壁面热流密度Q的增大而减弱。根据文章研究重点,本文制定了关于部分填充多孔介质通道内流体流动及传热特性的PIV和PLIF实验方案。该实验方案采用三维打印技术、粒子图像测速法(Particle Image Velocimetry, PIV)和平面激光诱导荧光测量(Planar laser induced fluorescence, PLIF)等技术方案对通道内流场和温度场进行可视化实验测试,来获真实多孔介质与流体交界面区域滑移特性。本文通过有限元数值模拟方法研究了对通道内流体流动及热量传递的影响因素,获取了各参数对交界面滑移效应的影响趋势,并提出了可行的实验测试方案,为进一步研究通道受迫对流的热质交换机理提供了一定的参考。
【学位授予单位】：山东建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK124

文章目录

摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1 研究背景

1.2 部分填充多孔介质通道内流体受迫对流的研究综述

1.2.1 通道流体受迫对流的研究进展

1.2.2 多孔介质与流体交界面特性的研究进展

1.3 非接触测量技术的发展

1.4 本文研究的主要内容

第2章部分含多孔介质通道内流体传热传质机理及数学模型

2.1 概述

2.2 多孔介质内的流动及传热过程

2.3 通道内流动及传热数学模型

2.3.1 物理模型

2.3.2 基本假设及数学模型

2.3.3 边界条件

2.3.4 基本方程的无量纲化

2.3.5 边界条件的无量纲化

2.4 数学模型求解

2.4.1 解析解

2.4.2 数值解

2.4.3 控制方程的离散化

2.5 网格无关性验证

2.6 本章小结

第3章部分填充多孔介质通道内流体流动及传热的数值模拟

3.1 概述

3.2 多孔介质参数对通道内流体流动及传热的影响

3.2.1 多孔介质填充比例

3.2.2 多孔介质达西数的影响

3.2.3 复合多孔介质

3.3 本章小结

第4章通道流体与多孔介质内交界面特性影响因素的研究

4.1 概述

4.2 多孔介质与流体交界面应力滑移特性

4.2.1 应力滑移数值求解

4.2.2 雷诺数的影响

4.2.3 达西数的影响

4.3 多孔介质与流体交界面热滑移特性

4.3.1 热滑移数值求解

4.3.2 导热特性的影响

4.3.3 热流密度的影响

4.4 真实多孔介质X-CT扫描及数值模拟研究

4.4.1 X-CT实验系统

4.4.2 测试流程

4.4.3 图像后处理

4.4.4 X-CT图片处理后的应用

4.4.5 真实多孔介质数值研究

4.5 本章小结

第5章部分填充多孔介质通道内受迫对流PIV及PLIF实验方案

5.1 概述

5.2 实验目的

5.3 实验内容

5.4 实验测试原理

5.5 实验系统

5.6 实验步骤

5.7 本章小结

第6章结论与展望

6.1 结论概述

6.2 存在的不足

6.3 课题展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况

符号表

【参考文献】