滑移区气粒两相流动传热数值模拟研究

发布时间：2020-05-17 15:23

【摘要】：随着微纳尺度流体流动与传热传质研究的不断深入,以微型固体能源动力系统为代表的微尺度气粒两相流动传热问题受到学者广泛关注。现有气粒两相流研究通常将微颗粒相处理为宏观尺度颗粒,微尺度条件下气-粒相间动量与能量非平衡效应未予充分考虑,微尺度效应对气粒两相流动传热特性影响规律尚不明晰。基于上述原因,本论文开展了以下三个方面的深入研究:1.滑移区非受限空间气-粒流动传热研究。考虑微尺度条件下气体变物性/可压缩效应,构建了滑移区气-粒流动传热数值计算模型,颗粒表面采用速度滑移和温度跳跃边界条件刻画气-粒相界面处速度与温度非连续特征。研究发现,随克努森数增大,颗粒表面速度滑移相应增大,颗粒周围气体低速区收缩,颗粒所受拖曳力减小;随克努森数增大,颗粒表面温度跳跃亦相应增大,温度跳跃削弱气-粒间传热,颗粒周围高温区域收缩,传热努谢尔特数减小。颗粒表面温度上升导致气体粘性增大,颗粒所受拖曳力增大;气体导热系数与温度跳跃随颗粒表面温度上升而增大,传热努谢尔特数相应减小。研究同时表明,气体变物性及可压缩性效应在微尺度气-粒间流动传热过程中不可忽略。在上述研究基础上,提出了考虑微尺度效应以及颗粒表面温度影响的气-粒间流动传热准则方程。2.滑移区受限空间气-粒流动传热研究。构建了微尺度受限空间内气-粒流动传热三维数值计算模型,模型中将气体考虑为可压缩/变物性流体,颗粒表面以及微通道壁面均采用速度滑移和温度跳跃边界条件以考虑气-固相交界处速度与温度非连续性。研究表明,随克努森数增大,颗粒表面拖曳力系数及传热努谢尔特数都相应减小;随颗粒表面温度上升,气体粘性增大,颗粒表面拖曳力增大,而传热努谢尔特数随之减小。相较非受限空间工况,发现当阻塞率大于1/8时,受限空间对气-粒间传热过程强化作用已逐渐显现。3.受限空间微尺度气粒两相流研究。在上述基础上,构建了基于欧拉-拉格朗日方法的微尺度气粒两相流计算模型,对受限空间微尺度气粒两相流动与传热问题开展研究。发现颗粒表面微尺度效应对颗粒运动轨迹影响明显,微颗粒运动过程明显滞后于宏观尺度颗粒。斯托克斯数较小时,颗粒能及时响应流场变化,可较好地跟随流体运动;大斯托克斯数条件下,颗粒受自身惯性影响愈加明显。研究同时发现,热泳力对微颗粒在受限空间中运动轨迹影响不可忽略,增加通道内部圆柱壁面温度,可提高通道壁面对颗粒的捕获效率。
【图文】：

推进系统,能源,固体

及能源领域都具有广泛的运用。其中，微型固体能源动力系统以其运行可靠、操控灵活、便于复制，以及能满足微纳卫星轨控与调姿双重要求等一系列突出优点，成为微纳卫星推进系统的重要发展方向[8, 9]。如图 1-1 为基于美国宇航数字推进概念的 MEMS 微型固体能源系统[10]。采用典型的三明治结构，底层为集成点火电路，中间层为燃料贮存及燃烧室，顶层为微喷管，燃料在燃烧室燃烧后，产生的高温高压燃气，经微喷管排出产生动力。受限空间微尺度气粒两相流动也与人类日常生活息息相关，例如大气中的微细颗粒物（PM2.5，PM10）会通过呼吸道进入人体内部，并在肺泡沉积，对人类身体健康造成损伤，如图 1-2 所示[11]。目前针对微尺度气-粒间流动传热的相关研究并不多见，已有研究中对微尺度效应、气体可压缩效应以及颗粒表面温度等对气-粒间流动传热过程的影响规律并未深入。而针对受限空间微尺度气粒两相流的研究，颗粒表面气体稀薄效应对气粒两相流动传热影响规律目前尚无报道。因此，亟需开展微尺度条件下气粒两相流动与传热过程的深入系统研究。

呼吸道,内颗粒,气体流动,平均自由程

a)flow rate=15 (lit/min) b) flow rate=30 (lit/min) c) flow rate=60 (lit/min)图 1-2 呼吸道内颗粒沉积Fig.1-2 Particle deposition in human airways 国内外研究现状1 微尺度气体流动区域划分在微尺度气体流动中，当气体流动特征尺寸与气体分子平均自由程（Mean, MFV）相比不可忽略时，气体连续性假设将不再成立，，气-固相界面将与能量非平衡效应[12]。通常引入无量纲克努森数（Knudsen，Kn），以刻薄程度。Kn 数定义为气体分子平均自由程与气体流动特征尺寸 L 的比 = 1-1)中为气体分子平均自由程，采用硬球模型可表达为： = 2 2，K 为 Boltzmann 常数（1.380662×10-23J/K），T、p、dm分别为气体温度
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK124

【参考文献】