部分填充复合多孔介质腔体自然对流及传热研究

发布时间：2017-10-09 04:36

  本文关键词：部分填充复合多孔介质腔体自然对流及传热研究

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【摘要】：流体在多孔介质中渗流的现象普遍存在于人类的生产和生活当中,特别是部分填充多孔介质的复合区域问题的应用背景更为广泛,例如干燥过程、过滤过程、水的渗流过程、太阳能集热器、热管、核能利用、燃料电池、石油热采和地热工程等。自然界及工程实际中存在非均质的多孔介质结构,即复合多孔介质,复合多孔介质涵盖分层多孔介质,即各层多孔介质的结构和渗流特性各不相同,分层多孔介质渗流问题广泛存在于含水介质的地下水渗流、非均质砂岩油藏中的石油开采、具有保温隔热作用的建筑复合墙体传热传湿等过程中。因此对分层多孔介质区域流体流动及传热的机理性研究是一项具有重要实用价值以及学术价值的工作,对于技术进步与科学的发展具有重大意义。本文采用由两层多孔介质组合成的复合多孔介质简化模型,将两层多孔介质依次填充在封闭腔体的左侧,利用动量守恒方程和能量守恒方程分别建立部分填充复合多孔介质封闭腔体自然对流及传热的一区域物理数学模型和两区域物理数学模型,采用有限元方法进行数值求解；针对本文所提出的两多孔介质层间交界面的速度滑移弱约束表达式,通过对比分析一区域模型和两区域模型的计算结果,验证此速度滑移表达式的有效性；运用一区域计算模型的结果进行理论分析,探讨部分填充复合多孔介质封闭腔体自然对流流体流动及传热的变化规律,考察复合多孔介质物性及结构特性、瑞利数Ra、普朗特数Pr对封闭腔体流动换热的影响,重点关注各因素和不同工况下两类交界面速度滑移系数的变化,探析交界面速度滑移效应的机理；同时,采用X-射线计算机断层扫描技术(X-CT)获取真实多孔介质青砖和海绵的结构图,构造左侧填充青砖和海绵的复合多孔介质封闭腔体流动及换热模型进行数值求解,分析两类交界面的速度分布形式和对流传热的变化规律。对于交界面的滑移现象及公式的验证结果表明：1)利用圆柱构造的复合多孔介质中两层多孔介质渗流交界面上存在速度滑移现象；2)对于X-CT实验获得的青砖和海绵所构成的真实复合多孔介质腔体,在两类交界面处存在速度滑移的现象,与圆柱构造的复合多孔介质腔体两种交界面的滑移现象具有一致性；3)一区域模型和两区域模型的计算结果表明本文对此交界面所提出的速度滑移弱约束表达式对两层多孔介质交界面的处理是合理有效的。对于各因素对自然对流流动换热的影响的研究结果表明：1)随着复合多孔介质层占腔体的比例N值的增大,腔体内流动减弱,左壁面平均Nu变小；2)两层多孔介质孔隙率之差△ε增大,腔体内整体流动增强,纯流体侧二分之一高度处的无量纲温度θ数值明显变大,而复合多孔介质侧变化规律与之相反；3)两层多孔介质导热系数比值Rk增大,腔体右壁面处的平均努谢尔特数Nu增大；4)瑞利数Ra增大,腔体内流体流动性增强,左壁面的平均努谢尔特数Nu增大；5)普朗特数Pr的增大导致速度边界层变厚,温度边界层变薄,腔体左壁面Nu增大,换热效果增强。对于两种交界面的滑移效应的变化的研究结果表明：1)孔隙率差值△ε的增大导致两层多孔介质间交界面的速度滑移系数a1增大,多孔介质与纯流体交界面的滑移效应随第二层多孔介质孔隙率的减小逐渐减弱,但受圆柱构造多孔介质的局限性,其速度滑移系数a2不断增大；2)随着瑞利数Rα的增大,速度滑移系数α1和α2均增大；3)圆柱叉排结构的速度滑移系数α1和α2要明显大于顺排结构；4)对于复合多孔介质所占腔体的比例N以及普朗特数Pr虽然影响腔体的流动换热效果,但两类交界面的滑移系数α1和α2并没有明显的改变。
【关键词】：复合多孔介质 一区域模型 交界面速度滑移系数 青砖和海绵 自然对流
【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12-20
• 1.1 研究背景及意义12-13
• 1.1.1 多孔介质区域流动及传热的应用背景12
• 1.1.2 复合多孔介质区域流动及传热的应用背景12-13
• 1.2 多孔介质与流体复合区域流动与传热的研究进展13-17
• 1.2.1 两区域模型研究进展13-16
• 1.2.2 一区域模型研究进展16-17
• 1.3 研究内容17-20
• 第2章 部分填充复合多孔介质腔体自然对流传热的物理数学模型20-30
• 2.1 概述20
• 2.2 一区域数学模型的建立20-25
• 2.2.1 物理模型的建立20-21
• 2.2.2 数学模型的建立21-25
• 2.3 两区域数学模型的建立25-29
• 2.3.1 物理模型的建立25-26
• 2.3.2 数学模型的建立26-29
• 2.4 本章小结29-30
• 第3章 数值方法及数学模型的验证30-38
• 3.1 有限元方法简介及求解思路30-31
• 3.2 网格无关性验证31-34
• 3.2.1 一区域模型网格无关性验证31-32
• 3.2.2 两区域模型网格无关性验证32-34
• 3.3 数学模型的验证34-37
• 3.4 本章小结37-38
• 第4章 部分填充复合多孔介质腔体自然对流及传热的数值模拟38-58
• 4.1 概述38
• 4.2 复合多孔介质厚度的影响38-41
• 4.3 复合多孔介质孔隙率变化的影响41-45
• 4.4 瑞利数的影响45-48
• 4.5 两层多孔介质导热系数比的影响48-50
• 4.6 普朗特数的影响50-52
• 4.7 真实复合多孔介质数值模拟52-57
• 4.7.1 真实复合多孔介质结构图的获取52-54
• 4.7.2 部分填充真实复合多孔介质腔体自然对流传热的模拟54-57
• 4.8 本章小结57-58
• 第5章 部分填充复合多孔介质腔体自然对流界面速度滑移效应模拟分析58-71
• 5.1 概述58
• 5.2 一区域方法和两区域方法结果对比分析58-61
• 5.3 复合多孔介质孔隙率变化的影响61-64
• 5.4 复合多孔介质厚度的影响64-65
• 5.5 瑞利数的影响65-66
• 5.6 普朗特数的影响66-68
• 5.7 复合多孔介质结构的影响68-70
• 5.8 本章小结70-71
• 第6章 结论与展望71-73
• 6.1 主要结论71-72
• 6.2 不足与展望72-73
• 参考文献73-77
• 符号表77-79
• 致谢79-80
• 攻读硕士学位期间发表的论文80

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 刘芳;陈宝明;王丽;;多孔介质对封闭腔体内对流传热传质的影响[J];山东大学学报(工学版);2011年01期

中国硕士学位论文全文数据库 前6条

1 蔡鹏飞;基于LBM多孔介质/流体腔体内自然对流介观研究[D];山东建筑大学;2015年

2 匡东升;部分填充多孔介质复合腔体内交界面滑移效应研究[D];山东建筑大学;2015年

3 刘智;多孔介质复合腔体内流体流动及传热实验研究[D];山东建筑大学;2014年

4 张国庆;基于LBM方法的多孔介质复合腔体内流体流动及传热研究[D];山东建筑大学;2014年

5 王栋;多孔介质复合腔体内自然对流及传热的实验研究[D];山东建筑大学;2012年

6 王丽;部分填充多孔介质复合腔体内流体流动及传热传质的研究[D];山东建筑大学;2010年

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本文编号：998229