局部非热平衡条件下分层填充和部分填充多孔介质圆管中传热与熵产的理论研究
发布时间：2020-08-18 15:25
【摘要】：本文分析研究了分层填充和部分填充多孔介质圆管中强迫对流的流动与传热问题。在圆管的外壁面施加恒定热流,并假设管内流体流动与换热均处于充分发展阶段。分别采用Darcy-Brinkman模型和局部非热平衡模型建立管内流动与换热的控制方程。在对分层填充多孔介质圆管的研究中,求解得到了分层填充多孔介质圆管内速度场和温度分布的解析解,并在极限情况下(令每层多孔介质的参数对应相等)与已有文献中求得的完全填充单层相应多孔介质圆管的解进行对比验证。为研究分层填充多孔介质圆管中的强化换热性能和管内流动与传热过程中的不可逆性,进一步推导得到了管内努塞尔数、管内局部熵产率和管内总熵产率的解析式。在此基础上,着重分析了达西数、有效导热系数等相关参数对分层填充多孔介质圆管强化换热性能和管内不可逆性的影响,并与完全填充单层相应多孔介质圆管进行对比。结果表明:选取合适的分层填充参数,分层填充多孔介质圆管的强化换热性能要显著优于完全填充单层相应多孔介质的圆管,且管内总熵产小于完全填充单层相应多孔介质的圆管。在对部分填充多孔介质圆管的研究中,在交界面处采用应力跳跃边界条件,求解得到了核心区域部分填充多孔介质圆管内速度场、温度场和管内摩擦因子、管内努塞尔数、管内局部熵产率和管内总熵产率的解析解。研究中给出了部分填充多孔介质圆管中熵产的解析解,填补了此前研究的空白。重点讨论了应力跳跃系数等相关参数对管内综合换热性能(PEC)和不可逆性的影响。结果表明:选取合适的部分填充参数,在管内核心区域部分填充多孔介质能显著增强管道换热性能而不会引起太大的流动阻力。此外,随无量纲填充比的变化,核心区域部分填充多孔介质圆管中努塞尔数和总熵产率分别存在最大值和最小值,而且使努塞尔数和总熵产率分别取到最大值和最小值的无量纲填充比随达西数等参数的变化而取不同的值。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK124
【图文】：
填充双层多孔介质管道内强化换热与熵产研模型 所示为填充双层多孔介质圆管通道的几何模型示意图。在圆管 2）和核心区域（区域 1）分别填充孔隙率、渗透率和有效导孔介质。区域 1 半径为 r1，圆管通道半径为 r2。采用恒定热流向流经圆管通道，自管壁带走热量。求解的过程中，做如下假设：每层多孔材料均匀且各项同性；流体的流动为稳态且不可压缩；通道中的流动和传热均为充分发展阶段；所有的热物性参数均为常数，不随温度变化而变化；忽略自然对流、辐射换热以及热扩散的影响。
((2.4 结果与讨论2.4.1 解析解的验证为了对推导结果进行验证，本文令两层多孔介质的物性参数对应相等，则填充多孔介质的圆管通道等效为完全填充单层多孔介质的圆管通道。将该情况文求得的解与 Lu 等[39]推导的完全填充单层多孔圆管通道的解进行比对，图 2 表本文所得结果与 Lu 等[39]推导的解析解完全一致。 21 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 310 1 1 1 1 1 12 22 21 1 1 1 1 11 1 122 623 1 2 1 4 1 2 1 2 12 22 2 4 1 2 2 222 2 1 23 1 2 1 4 1 2 12 22 22 ( ) 2( )( )2( ) ( )( )2(( ) ( )ss ssss C I s R k tk t I t R ww C I s R Da Rs t k k s t sk kk wtC I s R C K s R Da Rk k w R s s tsk t I t RC I s R C K s Rs t 1 12 2 0 2)( )swk k I t 3 0 2 4 0 2211222 ( ) ( )2DaC I s C K sws
质达西数不同，对流体的渗透能力不同导致的。从图中还可以看出流体流速的总是出现在达西数较大的区域。这是因为达西数越大，多孔介质对流体的渗透越好。因此，大部分流体会以较高的速度流经达西数较大的区域，而只有一小流体以较低的速度流过另一区域。图 2.3（b）给出了核心区域填充达西数较小的多孔介质时填充比对多孔圆道内速度分布的影响。图中，R1=0 和 R1=1 两条曲线表示的是填充单层多孔介圆管通道，剩下的曲线表示填充双层多孔介质的圆管通道。从图中可以看出，填充双层多孔介质时，达西数大的区域内流体的流速大于填充单层多孔介质管流体的流速，达西数小的区域内流体的流速小于填充单层多孔介质管道内流体速。从图中还可以看出，当核心区域填充达西数小的多孔介质时，随着填充比大，流体流速的峰值增大，并且峰值出现的位置向壁面移动。上述现象说明与填充单层多孔介质的管道相比，填充双层多孔介质的管道过改变所填充多孔介质的相关参数，进而改变管内流体的流量分布。
本文编号：2796393
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK124
【图文】：
填充双层多孔介质管道内强化换热与熵产研模型 所示为填充双层多孔介质圆管通道的几何模型示意图。在圆管 2）和核心区域（区域 1）分别填充孔隙率、渗透率和有效导孔介质。区域 1 半径为 r1，圆管通道半径为 r2。采用恒定热流向流经圆管通道，自管壁带走热量。求解的过程中，做如下假设：每层多孔材料均匀且各项同性；流体的流动为稳态且不可压缩；通道中的流动和传热均为充分发展阶段；所有的热物性参数均为常数，不随温度变化而变化；忽略自然对流、辐射换热以及热扩散的影响。
((2.4 结果与讨论2.4.1 解析解的验证为了对推导结果进行验证，本文令两层多孔介质的物性参数对应相等，则填充多孔介质的圆管通道等效为完全填充单层多孔介质的圆管通道。将该情况文求得的解与 Lu 等[39]推导的完全填充单层多孔圆管通道的解进行比对，图 2 表本文所得结果与 Lu 等[39]推导的解析解完全一致。 21 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 310 1 1 1 1 1 12 22 21 1 1 1 1 11 1 122 623 1 2 1 4 1 2 1 2 12 22 2 4 1 2 2 222 2 1 23 1 2 1 4 1 2 12 22 22 ( ) 2( )( )2( ) ( )( )2(( ) ( )ss ssss C I s R k tk t I t R ww C I s R Da Rs t k k s t sk kk wtC I s R C K s R Da Rk k w R s s tsk t I t RC I s R C K s Rs t 1 12 2 0 2)( )swk k I t 3 0 2 4 0 2211222 ( ) ( )2DaC I s C K sws
质达西数不同，对流体的渗透能力不同导致的。从图中还可以看出流体流速的总是出现在达西数较大的区域。这是因为达西数越大，多孔介质对流体的渗透越好。因此，大部分流体会以较高的速度流经达西数较大的区域，而只有一小流体以较低的速度流过另一区域。图 2.3（b）给出了核心区域填充达西数较小的多孔介质时填充比对多孔圆道内速度分布的影响。图中，R1=0 和 R1=1 两条曲线表示的是填充单层多孔介圆管通道，剩下的曲线表示填充双层多孔介质的圆管通道。从图中可以看出，填充双层多孔介质时，达西数大的区域内流体的流速大于填充单层多孔介质管流体的流速，达西数小的区域内流体的流速小于填充单层多孔介质管道内流体速。从图中还可以看出，当核心区域填充达西数小的多孔介质时，随着填充比大，流体流速的峰值增大，并且峰值出现的位置向壁面移动。上述现象说明与填充单层多孔介质的管道相比，填充双层多孔介质的管道过改变所填充多孔介质的相关参数，进而改变管内流体的流量分布。
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 杨昆;刘伟;;管内层流充分发展段等效热边界层的构造及其场协同分析[J];工程热物理学报;2007年02期
本文编号：2796393
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