复合多孔介质强化传热特性数值研究

发布时间：2021-11-25 10:15

　　当代社会几乎一切的生产活动都离不开能源,能源作为人类社会高速发展和稳定运行的基础,已经成为了人类文明存续的重要基石。天然气是我国三大主要能源之一,在开采和利用天然气的过程中,常常因为技术问题,使得大量低浓度的甲烷,因为常温难以燃烧,而被排放到大气中,造成资源浪费和温室效应加剧。低排放清洁催化燃烧技术正是解决这个问题的有效方法。催化燃烧作为能源领域重要研究之一,有着广泛的研究基础。其中,规整结构催化剂内的催化燃烧是近几年研究的热点,其过程涉及到从微纳尺度孔隙到宏观尺寸通道的多尺度空间,耦合了孔隙边界催化反应、孔隙辐射以及宏观尺度多组分热质传递等复杂过程,其内部多尺度多场耦合热质传递机理及协同机制非常复杂。因此,获得多孔介质流动强化换热过程中的热质传递特性和评价指标,研究承载催化剂骨架的特定泡沫金属结构及其流动传热特性,探究高温下流动、传热、辐射的多场耦合机理,以降低催化燃烧的反应要求和能源损耗,提高其能源利用率,具有重要的意义。为了给多孔介质流道中进行的高温化学反应提供多尺度热质传递研究中不同尺度间的相互作用及耦合原则的一部分理论支持,本文分为两步,先通过对圆形规整通道内填充泡沫金属多孔... 

【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)北京市

【文章页数】：75 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

规整结构催化剂

醒芯恐赋觯?嗍?嗫捉橹蚀嬖诜中喂媛蒣27]，其内部结构仍然难以用用几何绘制直接进行描述，通常描述多孔介质的方法是使用孔隙率、渗透率、孔径、迂曲度等属性来定义一类多孔介质结构。作为一种具有大比面积，高吸附性的多功能材料，多孔介质材料在各个工业领域都有着广阔的应用空间。其中高孔隙率金属多孔介质即泡沫金属由于其高导热系数、高换热面积以及内部的对流作用对固流混合传热的增强特性，在流动传热研究中越来越受到重视，并已广泛应用于能源、航天等工程领域[28]。1.3.2多孔介质泡沫金属介绍泡沫金属结构如图1.2所示，其同时拥有高孔隙率多孔介质材料的通透性，和金属材料的高强度特点，这使得它既能作为结构材料，又能作为功能材料使用。高孔隙率和金属质地保证了泡沫金属质量轻于一般金属材料，又比其他类型材料拥有更多高的比强度，同时还拥有极高的比表面积。因此泡沫金属在航空航天，建筑设计中得到广泛使用。例如泡沫金属铝就具有吸音、隔热、减振等特性，可以用于构成飞机机翼、导弹冲击保护层、汽车减震缓冲器等。泡沫金属镍具有高通透性和大比表面积，这使得它可以作为现代建筑中墙面，地板内的加热材料，还可以用于制作流体催化器、换热器、电池电极板等，泡沫金属铜与泡沫金属镍相似，成本更低，也可以作为催化器材料使用。同时，泡沫金属的高孔隙率和导热性使它可以作为隔热、阻燃的材料，用于火焰阻焰器中，让燃料气体自由通过，阻止火焰的蔓延，另外泡沫金属结构自带法拉第笼特性使得它也可作为电磁屏蔽材料使用，用于制造脉冲电源电磁冲击屏蔽罩等[29]。图1.2泡沫金属Figure1.2Foammetal从微观上看，泡沫金属是由无数含孔隙金属框架，以无规则方式构成的金属骨架，但按照分形理论，可以将之视为有一定规律可

复合多孔介质强化传热特性数值研究16网格建立之后，将其设置为2D轴对称模型，导入Fluent软件，对空气在泡沫金属内的流动换热情况进行模拟仿真。图2.1轴对称几何模型Figure2.1Axisymmetricgeometricmodel图2.2复合多孔介质双层结构示意Figure2.2Schematicdiagramofthedouble-layerstructureofthecompositeporousmedium图2.3网格加密部分示意Figure2.3Schematicdiagramofgridencryption2.1.2计算参数根据研究目的，考虑到少量甲烷对流动传热的影响不大，反而会增大计算量，将工质简单选为空气。流动虽然大多在层流区，但考虑到通过多孔介质以及传热带来的流动复杂性，求解模型设置为k-omega湍流模型，开启低雷诺数选项，湍流强度设置为1％，水力直径设为3mm。设定求解精度为二维双精度，采用SIMPLEC算法和非耦合隐式求解器求解，由多孔介质孔隙率，根据泡沫金属修


本文编号：3517933