幂律流体在多孔介质内流动及换热特性研究

发布时间：2020-10-10 22:29

　　 幂律流体在多孔介质内流动换热是自然界和工农业生产常遇到的物理过程,具有很强的工程应用背景。研究幂律流体在多孔介质内流动换热规律具有重大的科研价值及工程指导意义。由于幂律流体独特的流变特性及多孔介质空隙多尺度行为的复杂性,目前这方面的研究成果具有一定的局限性,还有不少重要问题亟待全面深入的研究和探索。例如:幂律流体在多孔介质内流动换热方面的实验研究较为欠缺,幂律流体在颗粒堆积多孔介质内流动阻力特性研究还缺乏深入的理论分析,对幂律流体非达西流流动特征及黏性耗散效应的认识还不充分等。基于上述问题本论文主要的研究工作包括:首先,选用一定流变参数的聚丙烯酰胺(HPAM)溶液作为幂律流体介质,设计搭建单一粒径球形颗粒规则排列的多孔介质骨架模型。实验测量不同流变特性的HPAM溶液在真实物理结构的多孔介质内流动和换热的基础性实验数据,实验分析幂律流体在不同多孔介质模型的流动换热规律,且引入综合换热效率评价其流动换热特性。结论为幂律流体在颗粒有序堆积多孔介质内的流动换热机理研究补充了基础实验数据。其次,基于经典Carman-Kozeny-Blake模型及孔喉通道模型,提出一个幂律流体在单一粒径球形颗粒堆积多孔介质内流动的阻力计算模型。针对幂律流体的流变特性,考虑边壁对压力降的影响,利用平均水力半径理论,推导出各物理量意义明确的修正Ergun型方程,详细探讨迂曲度、孔隙率、喉孔比、颗粒直径、边壁修正系数、渗透率及幂律指数等重要参数对流动阻力特性的影响。接着,基于Darcy-Brinkman-Forchheimer流动模型,合理假定边界层内线性、抛物线两种速度分布关系式,采用边界层动量积分法,推导出边界层厚度、轴向流速及压降的显式无量纲计算表达式。分析达西数、综合惯性参数、黏度比、孔隙率及幂律指数等对流速和压降的影响,阐明幂律流体在多孔介质内的非达西流流动特征。最后,对幂律流体在多孔介质内对流换热过程中的黏性耗散效应进行了研究,推导出无量纲流速分布、温度分布及对流换热特征数的计算表达式,利用经典四阶Runge-Kutta法对不同情形下的黏性耗散效应进行数值求解。发现对流换热特性与速度分布密切相关,Darcy项和Forchheimer项对应的黏性耗散效应会强化对流换热能力,而Al-Hadhrami项对应的黏性耗散效应会减弱对流换热能力。明确布林克曼数、达西数、综合惯性参数和幂律指数等特征参数对流动换热特性的影响机理。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TK124
【部分图文】：

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本文编号：2835672