具有表面辐射的部分填充多孔介质的复合腔体内高瑞利数自然对流传热研究

发布时间：2017-09-17 16:51

  本文关键词：具有表面辐射的部分填充多孔介质的复合腔体内高瑞利数自然对流传热研究

  更多相关文章： 高瑞利数 自然对流 传热 多孔介质 复合腔体 表面发射率 数值模拟

【摘要】：自然对流传热现象广泛存在于自然界和实际工程中,其中多孔介质与流体区域组成的复合封闭腔体内自然对流传热应用到更多领域：在建筑环境和建筑节能领域,进行室内舒适度评估时,具有多孔性质的外围护结构的建筑室内的温度分布和气流形态是两个重要指标：另外,建筑墙体的厚度也会影响到室内热湿环境,选择最佳墙体厚度就是一种有效的节能措施：工业生产过程,涉及到工业烘干,催化生产,核工程和农业谷物存储等相关领域。鉴于多孔介质与流体区域组成的自然对流传热机理有如此广泛的实际应用价值,无论是从科学研究还是工程应用来看,对其的探究有重要的意义。实际工程应用中,涉及到的空间多数为大尺度区域,因此流体的自然对流流动形态为高瑞利数流动。本文把具有外围护结构的建筑室看成填充多孔介质封闭腔体,采用多孔介质和空气自由流动的双区域物理模型,基于纯流体和多孔介质流动传热理论,建立了考虑壁面热辐射的流体区域和多孔介质区域的非稳态动量、能量方程,并对所建立的模型进行验证。采用有限元的方法对部分填充多孔介质封闭腔体内具有壁面热辐射的高Rayleigh数自然对流传热过程进行数值模拟分析,研究了Ra(高Rayleigh数和低Rayleigh数)对自然对流和传热的影响,尤其是高瑞利数的影响。其次,分析了各种表面发射率εi条件下的腔体近壁面边界层和温度场、流场的分布,讨论了表面发射率对自然对流和传热的影响。对不同厚度的多孔介质条件下复合腔体内部的流动和传热规律进行了数值模拟,分析多孔介质厚度对腔体内的自然对流和传热的影响。然后,对绝热上壁面和非绝热上壁面对复合腔体内部自然对流传热进行了模拟研究,分析了两种途径下复合腔体内部的温度场和流场。最后,研究了当夏季、冬季室外环境相差较大时,复合腔体内部空气的流动规律和温度分布,讨论了冬季取暖、夏季制冷时计算负荷依据的差异。分析数值模拟结果发现,高瑞利数(Ra=108、109、1010)流体同低瑞利数(Ra=104、105、106)一样,随着Ra的增大,自然对流传热作用增强,将Ra=106与Ra=1010比较发现,温度场和流场的分布差距较大,高瑞利数的腔体内温度分布均匀,流线分布更有规则,对流和传热作用也较显著。边界层明显变薄,多孔介质区域和流体区域交界面处的平均对流努塞尔数很好的佐证了这一点。壁面热辐射的存在减弱了自然对流作用,使近壁面边界层变厚,即使发射率很小,但表面发射率仍可明显改变温度场的分布。多孔介质区域与流体区域交界面处的平均对流努塞尔数随发射率增大而降低,平均辐射努塞尔数和总努塞尔数则随着发射率的增加而变大,且增长速率大于减小的速率。当多孔介质墙体厚度d≤0.25m时,Nuc随着厚度d的增加而不断变大,之后平均自然对流努塞尔数将不再跟着厚度的增加而变化。这意味着当多孔介质厚度达到一定值后,继续增加其厚度,传热量将不再减小。当复合腔体上壁面为非绝热时,涡核心区在腔体下部,上部流线分布不均匀,近壁面边界层变薄,腔体温度升高,但趋于不均匀分布。冬季与夏季因室外环境温度差异大,造成建筑室内环境的明显改变。冬季与夏季两侧壁面的高低温温度分布正好相反,因此腔体内流场的分布水平对称。相比于夏季,冬季的涡核心区位于流体区域下部,热量传递能力高于夏季,但冬季各处温差较大。两季节的多孔介质区域和流体区域之间都同样存在较大温度差。在实际运用中,壁面的热辐射对封闭腔体内部的自然对流、热质交换过程的影响是客观存在的,而且对于像谷物储存、建筑环境等工程应用的复合腔体中热传递问题大多是高Rayleigh数自然对流、传热传质过程,而国内外学者对此问题研究的较少。因此,对具有表面辐射的部分填充多孔介质的复合腔体内高瑞利数自然对流传热问题的研究还需不断探究,以便为实际工程应用提供理论基础。
【关键词】：高瑞利数 自然对流 传热 多孔介质 复合腔体 表面发射率 数值模拟
【学位授予单位】：山东建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK124
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第1章 绪论12-17
• 1.1 研究背景12-13
• 1.2 国内外研究现状及分析13-16
• 1.2.1 国内研究现状及分析14
• 1.2.2 国外研究现状及分析14-16
• 1.3 本文的研究内容16-17
• 第2章 具有壁面热辐射的部分填充多孔介质的复合腔体内高Rayleigh数自然对流传热规律及相关物性参数(6)17-25
• 2.1 概要17
• 2.2 多孔介质流动与传热的理论依据17-18
• 2.2.1 多孔介质内的流动机理17-18
• 2.2.2 多孔介质内的传热机理18
• 2.3 部分填充多孔介质的复合腔体内自然对流传热的理论依据18-19
• 2.4 辐射传热的理论依据19-20
• 2.5 参数的确定20-24
• 2.5.1 孔隙率20-21
• 2.5.2 渗透率21-23
• 2.5.3 努塞尔数23
• 2.5.4 多孔介质和空气相关参数总结23-24
• 2.6 小结24-25
• 第3章 具有壁面热辐射部分填充多孔介质的复合腔体的数学模型及验证25-37
• 3.1 概要25
• 3.2 流体问题的研究方法25-26
• 3.3 计算区域和控制方程的离散26-28
• 3.4 高Rayleigh数的数值模拟方法28-29
• 3.5 考虑壁面热辐射的高Rayleigh数瞬态自然对流传热的数学模型29-32
• 3.5.1 物理模型29
• 3.5.2 基本假设29-30
• 3.5.3 数学模型30-32
• 3.6 网格独立性验证32-34
• 3.7 数学模型的验证34-36
• 3.8 小结36-37
• 第4章 具有壁面热辐射部分填充多孔介质的复合腔体的数值模拟结果及分析37-53
• 4.1 概要37
• 4.2 模拟条件37
• 4.3 模拟工况37-38
• 4.4 模拟结果及分析38-51
• 4.4.1 瑞利数Rayleigh对部分填充多孔介质的复合腔体内部自然对流传热的影响38-42
• 4.4.2 表面发射率对部分填充多孔介质的复合腔体内部自然对流传热的影响42-46
• 4.4.3 多孔介质厚度对部分填充多孔介质的复合腔体内部自然对流传热的影响46-47
• 4.4.4 非绝热上壁面对部分填充多孔介质的复合腔体内部自然对流传热的影响47-50
• 4.4.5 夏季、冬季气温对部分填充多孔介质的复合腔体内部自然对流传热的影响50-51
• 4.5 小结51-53
• 第5章 研究结论及未来研究方向53-56
• 5.1 研究结论53-54
• 5.2 未来研究方向54-56
• 参考文献56-59
• 符号表59-61
• 致谢61-62
• 攻读硕士学位期间论文发表及科研情况62

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 司广树,姜培学,李勐;单相流体在多孔介质中的流动和换热研究[J];承德石油高等专科学校学报;2000年04期

2 李大鸣,张红萍,李冰绯,高永祥;多孔介质内部流动模型及其数学模拟[J];天津大学学报;2002年06期

3 王建省;非对称热渗流域多孔介质中的关键问题及研究方法[J];北方工业大学学报;2002年01期

4 施明恒,樊荟;多孔介质导热的分形模型[J];热科学与技术;2002年01期

5 李传亮;多孔介质的应力关系方程——答周大晨先生[J];新疆石油地质;2002年02期

6 苏向辉,昂海松,许锋;多孔介质传热传湿过程多层不连续问题的数值分析[J];南京航空航天大学学报;2003年01期

7 郝锦志,雷树业,王补宣,芦秋敏,马斌;多孔介质突破特性的薄层效应[J];清华大学学报(自然科学版);2004年02期

8 刘泽佳,李锡夔,武文华;多孔介质中化学 热 水力 力学耦合过程本构模型和数值模拟[J];岩土工程学报;2004年06期

9 王恩宇,程乐鸣,褚金华,施正展,骆仲泱,岑可法;渐变型多孔介质中燃气燃烧特性试验研究[J];工程热物理学报;2005年06期

10 赵治国;解茂昭;;实心与空心锥形喷雾与热多孔介质相互作用的数值研究[J];工程热物理学报;2007年02期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 胥蕊娜;姜培学;赵陈儒;黄寓理;;流体在微多孔介质中的流动研究[A];庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会’2007论文摘要集（下）[C];2007年

2 韦昌富;;多孔介质力学理论及其应用[A];第九届全国岩土力学数值分析与解析方法讨论会特邀报告[C];2007年

3 黄拳章;郑小平;姚振汉;;含液多孔介质力学问题的边界元法[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年

4 饶文涛;李本文;;多孔介质燃烧技术工业应用数值模拟研究[A];2010全国能源与热工学术年会论文集[C];2010年

5 郁伯铭;员美娟;;多孔介质中流体流动的分形分析[A];中国数学力学物理学高新技术交叉研究学会第十二届学术年会论文集[C];2008年

6 郭尚平;于大森;吴万娣;;生物脏器多孔介质的孔径分布和比面[A];全国第一届生物力学学术会议论文汇编[C];1981年

7 刘志峰;赵刚;张有为;刘正锋;李柯;王晓宏;;固体颗粒在逾渗多孔介质中的吸附特性[A];第九届全国渗流力学学术讨论会论文集（一）[C];2007年

8 吴金随;尹尚先;;颗粒堆积型多孔介质内孔喉模型的研究[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年

9 黄拳章;郑小平;姚振汉;;用边界元法模拟含液多孔介质的等效力学行为[A];北京力学会第十六届学术年会论文集[C];2010年

10 王建省;王晓纯;;具有流固热耦合影响的可变形多孔介质动态物质面分界特征[A];“力学2000”学术大会论文集[C];2000年

中国重要报纸全文数据库 前3条

1 中国农业大学工学院 刘相东;多孔介质干燥理论与应用并行[N];中国化工报;2007年

2 饶文涛;多孔介质燃烧新技术及应用[N];世界金属导报;2009年

3 饶文涛;新一代燃烧技术——多孔介质燃烧[N];中国冶金报;2009年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 张赛;多孔材料毛细孔收缩热质传递及分形特性研究[D];昆明理工大学;2015年

2 欧阳小龙;多孔介质传热局部非热平衡效应的基础问题研究[D];清华大学;2014年

3 苗同军;裂缝型多孔介质渗流特性的分形分析[D];华中科技大学;2015年

4 刘宏升;基于多孔介质燃烧技术的超绝热发动机的基础研究[D];大连理工大学;2008年

5 林博颖;惰性多孔介质内的液雾燃烧[D];中国科学技术大学;2008年

6 张东辉;多孔介质扩散、导热、渗流分形模型的研究[D];东南大学;2003年

7 王恩宇;气体燃料在渐变型多孔介质中的预混燃烧机理研究[D];浙江大学;2004年

8 赵治国;燃油喷雾与多孔介质的相互作用及其在内燃机中应用的数值模拟研究[D];大连理工大学;2007年

9 赵双良;对多孔介质中流体的研究[D];湖南大学;2007年

10 姜海;多孔介质内预混气体燃烧的实验和数值研究[D];中国科学技术大学;2008年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 张洋;重金属污染物在多孔介质中的迁移模型与仿真[D];重庆大学;2012年

2 范雪晶;液体形态对颗粒堆积型多孔介质传递特性的影响[D];山东建筑大学;2015年

3 戴振宇;部分填充多孔介质通道内流体流动及传热特性研究[D];山东建筑大学;2015年

4 赵哲;颗粒堆积多孔介质干燥过程模拟及试验研究[D];陕西科技大学;2015年

5 刘璐;基于多孔介质理论的折褶滤芯数学模型研究[D];沈阳理工大学;2015年

6 王雨晴;太阳能多孔介质空气吸热器传热特性研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

7 李晟昊;孔隙尺度下多孔介质声传播的格子Boltzmann数值模拟研究[D];大连理工大学;2015年

8 周欣欢;均质流体及多孔介质温度分布的磁共振测量[D];大连理工大学;2015年

9 朱自浩;多孔介质中天然气水合物降压分解特性研究[D];大连理工大学;2015年

10 汤凌越;多孔介质内油气混相与扩散特性实验研究[D];大连理工大学;2015年

，

本文编号：870586