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微胶囊相变悬浮液的管内层流强化传热性能研究

郝睿  
【摘要】:微胶囊相变悬浮液是由包裹相变材料的微胶囊颗粒与载流体组成,融储热与传热环节于一体的潜热型功能热流体,它在温度控制和储能、节能系统中有重要的应用价值。本文在对该领域中国内外已有研究工作进行广泛评述的基础上,运用理论分析和数值模拟的方法研究了微胶囊相变悬浮液管内层流对流换热的强化机理,分析了影响强化比的各种因素并定量计算出其影响程度。此外,还考察了单个微胶囊相变过程的基本特征。 本文首先通过对迄今为止国内外学者在微胶囊传热领域的研究进展的全面回顾,明确了本文的研究内容和将要采用的研究方法。然后运用针对单相流体强化传热的“场协同理论”从两个方面分析、解释了微胶囊相变悬浮液管内对流传热强化的机理:第一,若把微胶囊相变悬浮液视为一种均匀流体,把相变潜热等效为特定温度区间内一个很大的表观比热容,将导致对流换热的强化;第二,悬浮液中的微胶囊颗粒与周围载流体之间存在的“微对流效应”使颗粒与载流体之间的对流换热显著增强,这种增强实际上就相当于介质的有效导热系数增大。 建立了微胶囊相变悬浮液在定壁温和定热流边界条件下管内层流换热的等效比热模型并求解了该传热模型。根据数值求解的结果,对影响微胶囊相变悬浮液管内对流换热强化效果的多个因素作了详细的分析,从而确定斯蒂芬数Ste和微胶囊颗粒的体积浓度c是影响微胶囊相变悬浮液对流换热强化效果最主要的两个因素。经与其他学者的同类实验或模拟计算数据比较,证明该计算结果是正确可靠的。 以单个微胶囊为研究对象建立了相变过程的数学模型。采用固定步长法和焓法对微胶囊内的相变过程进行了数值模拟。通过考察微胶囊的壁厚、壁材的导热系数、微胶囊与载流体之间的对流换热温差等因素,充分掌握了单个微胶囊内固液相变全过程的基本特性。模拟计算结果表明微胶囊的壁厚和壁材导热系数在一定范围以内对相变过程的影响十分有限。 最后,本文对该课题领域内今后的研究方向提出了一些想法和建议。


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