泡沫多孔材料中强制对流与高温辐射的耦合传热研究

发布时间：2017-09-02 09:03

  本文关键词：泡沫多孔材料中强制对流与高温辐射的耦合传热研究

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【摘要】：泡沫多孔材料具有三维的网络骨架和相互连通的孔隙通道,孔隙尺寸小、比表面积大,增强了对流动的扰动,有效地强化了能量的传递,是优良的热交换媒介。掌握其内部高温耦合传热机理和特性规律,对太阳能高温热转换和高温多孔强化传热技术的发展有重要意义。基于宏观尺度研究方法,本文对泡沫多孔材料内高温辐射-对流耦合传热机理、数值计算方法和强制对流输运特性进行了研究。针对泡沫多孔材料内高温辐射-对流耦合传热模拟分析,采用蒙特卡罗法(MCM)、P1近似和Rosseland扩散近似三种辐射传输求解方法对泡沫多孔材料自身热辐射传输进行求解,编制了相应的计算程序模块,结合Fluent软件,实现兼顾辐射效应和流、固两相局部非热平衡(LTNE)传热的耦合传热分析。分别从辐射传输求解、LTNE对流换热求解和高温耦合换热实验对比三方面,验证了计算方法和程序的可靠性,分析了P1近似和Rosseland扩散近似应用于泡沫多孔材料内耦合传热模拟的计算精度,结果表明采用P1近似可获得可靠性较高的结果。温度的测量是研究泡沫多孔材料内传热特性的关键。针对高温泡沫多孔材料内部温度的瞬态测量,建立了热电偶温度的动态响应分析模型,基于耦合传热模拟方法,分析了热电偶温度的表征信息和变化规律,发现热电偶温度不能直接表征测点位置的流体和固体温度。对红外测温方式,建立了测温过程的辐射传输模型,采用反向蒙特卡罗法(BMCM)进行模拟,以半透明介质层表面测温为例,分析了半透明性对红外测温的影响。设计搭建了管内泡沫多孔材料的强制对流换热实验装置,实验研究了铜、镍和碳化硅三种泡沫多孔材料的压降特性和容积对流换热特性,比较分析了现有的12组压降经验关联式与7组容积换热系数经验关联式,通过拟合实验数据,给出了新的压降和容积换热系数预测关联式,且关联式与实验数据的偏差均在±40%以内。对碳化硅泡沫进行了高温耦合换热实验,基于热电偶温度的修正,获得了流、固两相的温度数据,并通过数值模拟比较发现,数值结果与实验偏差小于25.2%。采用实验获得的压降与容积换热系数关联式,在定壁温和定热流两种边界条件下,对管内泡沫多孔材料的耦合传热进行模拟分析,考察了孔隙结构参数和管壁发射率等参数对传热特性的影响。基于太阳能热转换系统的辐射传输模拟,获得了泡沫多孔吸热芯对聚集太阳能的容积吸收分布,实现了考虑聚集太阳能非均匀入射下泡沫多孔材料内的耦合传热模拟分析,比较了对吸热芯入口聚集太阳辐射能流的三种处理方式,发现采用边界热流处理方式的计算偏差较大(高达25.8%);进一步分析了孔隙结构参数梯度布置以及各层不同厚度分配对双层多孔芯吸热器传热性能的影响。通过研究,验证了泡沫多孔材料内高温辐射-对流耦合传热的模拟方法,深入认识了泡沫多孔材料高温换热实验中的温度测量特征,获得了泡沫多孔材料内对流换热的实验数据和计算关联式,掌握了管内、聚集太阳能入射作用下泡沫多孔材料的耦合传热特性和相关因素的影响规律。研究结果为高温多孔换热系统的热设计、评估与优化提供了理论基础和参考依据。
【关键词】：泡沫多孔材料 强制对流 热辐射 高温 耦合传热
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK124
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-18
• 第1章 绪论18-36
• 1.1 研究背景及意义18-21
• 1.2 多孔材料内强制对流-辐射高温耦合传热数值研究现状21-26
• 1.2.1 通道内多孔材料的辐射-对流耦合传热数值研究现状21-23
• 1.2.2 太阳能入射下多孔材料内辐射-对流耦合传热数值研究现状23-26
• 1.3 多孔材料内强制对流及与辐射耦合传热实验研究现状26-34
• 1.3.1 多孔材料内辐射-对流耦合传热实验研究现状26-27
• 1.3.2 多孔材料换热实验的测温研究现状27-30
• 1.3.3 多孔材料内对流输运参数实验研究现状30-34
• 1.4 本文的主要研究内容34-36
• 第2章 泡沫多孔材料内辐射-对流耦合传热模拟方法36-57
• 2.1 泡沫多孔材料内辐射-对流耦合传热计算方法36-43
• 2.1.1 物理模型36-37
• 2.1.2 基本控制方程37-40
• 2.1.3 固相辐射传输求解方法40-43
• 2.2 数值模拟的可靠性分析43-46
• 2.2.1 辐射传输求解验证43-44
• 2.2.2 局部非热平衡传热模拟验证44-46
• 2.3 耦合传热模拟中的影响因素分析46-53
• 2.3.1 计算模型及求解方法46-47
• 2.3.2 两相局部对流换热模型的对比分析47-48
• 2.3.3 容积对流换热及压降关联式的对比分析48-50
• 2.3.4 热辐射效应的影响50-51
• 2.3.5 流、固两相的热物性影响51-53
• 2.4 辐射传输求解方法的比较53-55
• 2.5 本章小结55-57
• 第3章 泡沫多孔材料内换热参数的测量方法分析57-77
• 3.1 高温泡沫多孔材料内温度的热电偶瞬态测量分析57-66
• 3.1.1 热电偶瞬态传热模型57-59
• 3.1.2 测温过程及分析方法的可靠性59-61
• 3.1.3 泡沫多孔材料换热中热电偶的测温信息及影响因素61-64
• 3.1.4 热电偶准稳态传热模型分析64-66
• 3.1.5 热电偶结点辐射换热求解方法分析66
• 3.2 高温半透明材料的红外测温分析66-73
• 3.2.1 红外测温的数学模型67-69
• 3.2.2 程序可靠性验证69-70
• 3.2.3 相关参数的影响分析70-72
• 3.2.4 几何形状的影响分析72-73
• 3.3 泡沫多孔材料内对流输运参数实验测量分析73-76
• 3.4 本章小结76-77
• 第4章 泡沫多孔材料内强制对流换热实验77-109
• 4.1 实验装置与测量系统77-79
• 4.2 泡沫多孔材料结构参数79-81
• 4.3 泡沫多孔材料内气流压降特性实验测量81-92
• 4.3.1 实验测量过程及不确定性分析81-83
• 4.3.2 测量结果及影响因素分析83-86
• 4.3.3 经验关联式对比分析86-92
• 4.4 容积对流换热实验测量92-99
• 4.4.1 实验测试段及分析92-94
• 4.4.2 容积对流换热实验测量结果分析94-99
• 4.5 管内泡沫多孔材料高温耦合换热实验及分析99-107
• 4.5.1 实验段及测量过程99-100
• 4.5.2 测量结果分析100-102
• 4.5.3 温度测量数据的修正102-107
• 4.6 本章小结107-109
• 第5章 泡沫多孔材料内高温耦合传热特性分析109-132
• 5.1 泡沫多孔材料内高温耦合传热数值模拟与实验比较109-112
• 5.2 管内泡沫多孔材料的耦合传热分析112-116
• 5.2.1 管壁发射率的影响112-114
• 5.2.2 孔隙结构参数的影响114-116
• 5.3 多孔容积式太阳能吸热器的传热性能分析116-124
• 5.3.1 吸热器传热模型及求解方法116-118
• 5.3.2 泡沫多孔材料中聚集太阳能的吸收分布特性118-121
• 5.3.3 聚集太阳光入射下泡沫多孔材料内辐射换热计算方法比较121-122
• 5.3.4 泡沫多孔吸热器高温耦合传热的影响因素分析122-124
• 5.4 吸热芯入口聚集太阳辐射处理方式的比较124-127
• 5.5 双层多孔芯吸热器的传热特性分析127-130
• 5.5.1 孔隙率梯度布置模拟结果分析129
• 5.5.2 孔径梯度布置模拟结果分析129-130
• 5.6 本章小结130-132
• 结论132-135
• 参考文献135-151
• 附录A151-155
• 攻读博士学位期间发表的学术论文155-159
• 致谢159-160
• 个人简历160

【参考文献】

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本文编号：777597