规则排列多孔介质通道内流体流动和换热的数值研究

发布时间：2017-09-18 07:25

  本文关键词：规则排列多孔介质通道内流体流动和换热的数值研究

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【摘要】：随着多孔介质在日常生活和工业中的广泛应用,人们对多孔介质的关注越来越多,在提高其换热能力的同时,压降也会大大增加,所以流动和换热两方面的特性研究已经成为很多行业的需要,在这样的大背景下,本文使用Fluent软件对影响水和幂律流体在多孔介质中的流动和换热的影响因素进行了深入研究。对流动的特性分析得出,流体间的混掺方式随速度大小的变化而变化,速度较小时,流体的漩涡区是完全对称的两个漩涡,流体间没有混掺,速度增大时,流体间发生混掺,速度继续增大时,混掺的流线和流束大小都会发生变化,流体的混掺程度也随着速度的增加而增加。幂律指数n值对幂律流体的剪切应力以及质量加权平均速度都有影响,n值减小,剪切应力增大,平均速度减小。多孔介质的排列方式越紧凑(孔隙率越小)颗粒直径越小,n值越小,流体在多孔介质中的压降就越大。多孔介质中的流动特性对n值较大的流体比较敏感,n值减小时,影响变小,当n≤0.5142时,n值的改变对流动特性的影响非常小,特别是在速度较大的时候,现象更为明显。多孔介质的排列方式改变时会影响fm与Rem关联式中系数A和B值的精确度,但颗粒直径的改变则不会影响。在幂律流体的n值较小,速度较大的湍流流动中,会发生降阻现象,在孔隙率不同时,发生降阻现象临界的速度值也会不同。对换热的特性分析得出,第一排铜球和周围流体间的热流密度在来流方向上大致呈减小的趋势,第二排和第三排铜球和周围流体间的热流密度则大致呈上升趋势；铜球与周围流体间的温差与热流密度的变化规律有相似之处。对流换热系数hsf在来流方向上基本保持不变,速度增加、直径减小、n值增大都会导致hsf增大。多孔介质的排列方式越紧凑,n值越大,颗粒直径越小,d/D值越大,固体导热系数越大,多孔介质的换热能力就越强,换热系数hw对n值较大的流体比较敏感,n值越小,彼此间的差距越小,当n≤0.5142时,n值的变化对hw并没有太大的影响,当速度增大、孔隙率减小、直径减小时现象更加明显,这与对流动的影响有相似之处。此外,本文还给出了适用于水和幂律流体的Nuw和ReD的关联式,总结出了关联式的适用范围。多孔介质模型一的综合换热能力最大,模型四的综合换热能力最低,当直径从13.55mm减小到7.1mm时以及n值减小时,综合换热能力都会减小。
【关键词】：多孔介质 幂律流体 数值模拟 流动和换热 排列方式
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK124
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-24
• 1.1 课题研究背景及意义10-11
• 1.2 理论基础11-18
• 1.2.1 多孔介质及体积平均法11-12
• 1.2.2 多孔介质中常用的基本参数12-14
• 1.2.3 多孔介质研究方法14-16
• 1.2.4 多孔介质中渗流模型的发展16-17
• 1.2.5 幂律流体及其流变方程17-18
• 1.3 课题的国内外研究现状18-23
• 1.3.1 牛顿流体的研究现状19-21
• 1.3.2 幂律流体的研究现状21-23
• 1.4 本文研究内容23-24
• 2 数值研究24-31
• 2.1 CFD与fluent软件介绍24-25
• 2.2 物理模型和数学描述25-27
• 2.2.1 物理模型25-26
• 2.2.2 数学描述26-27
• 2.3 数值求解27-29
• 2.3.1 粘性模型的选择27-28
• 2.3.2 网格无关性检验28
• 2.3.3 数值模拟有效性分析28-29
• 2.4 参数定义29-30
• 2.5 本章小结30-31
• 3 水和幂律流体在多孔介质中的流动31-55
• 3.1 水在多孔介质中的流动31-42
• 3.1.1 流体间的混掺方式31-33
• 3.1.2 流体间的混掺程度33-35
• 3.1.3 不同排列方式对压降的影响35-40
• 3.1.4 不同排列方式对阻力系数的影响40-41
• 3.1.5 颗粒直径对压降的影响41-42
• 3.1.6 颗粒直径对阻力系数的影响42
• 3.2 幂律流体在多孔介质中的流动42-54
• 3.2.1 幂律指数对剪切应力的影响42-44
• 3.2.2 幂律指数对平均速度的影响44-46
• 3.2.3 不同排列方式对幂律流体压降的影响46-49
• 3.2.4 不同排列方式对幂律流体阻力系数的影响49-53
• 3.2.5 颗粒直径对幂律流体压降的影响53-54
• 3.2.6 颗粒直径对幂律流体阻力系数的影响54
• 3.3 本章小结54-55
• 4 水和幂律流体在多孔介质中的换热55-84
• 4.1 水在多孔介质中的换热55-72
• 4.1.1 流体和固体颗粒间的对流换热系数h_(sf)55-63
• 4.1.2 不同排列方式对换热的影响63-64
• 4.1.3 d/D值的大小对换热的影响64-66
• 4.1.4 颗粒的导热系数对换热的影响66-68
• 4.1.5 直径对换热的影响68-69
• 4.1.6 努赛尔数与雷诺数的关联式69-72
• 4.2 幂律流体在多孔介质中的换热72-80
• 4.2.1 幂律指数对换热系数h_(sf)的影响72-73
• 4.2.2 不同排列方式对幂律流体换热的影响73-76
• 4.2.3 d/D值的大小对幂律流体换热的影响76-77
• 4.2.4 颗粒的导热系数对幂律流体换热的影响77-78
• 4.2.5 直径对幂律流体换热的影响78
• 4.2.6 不同n值下努赛尔数与雷诺数的关联式78-80
• 4.3 综合换热系数80-83
• 4.4 本章小结83-84
• 结论84-86
• 参考文献86-90
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况90-91
• 致谢91-92

【参考文献】

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本文编号：874181