具有多孔介质壁面的流道中流动与热质传递的数值模拟

【摘要】：多孔介质具有很大的表面积、良好的蓄热和换热性能,可以在多个领域中发挥重要作用。近年来,多孔介质材料在燃料电池中得到广泛的应用。多孔介质中的热质传递还是一个较新的课题,有较高的学术意义。本文致力于多孔介质中的流动与热质传递的研究,重点研究具有热质渗透壁面多孔介质通道内的流体流动与热质传递规律。本文通过理论分析和数值模拟进行研究,主要完成以下方面的工作: 1.从“溶积平均”假设出发,在前人的理论基础上,借助流体力学的基本原理,通过数学分析,推导了各向同性的多孔介质通道中流体流动的输运方程,考虑流体和固体骨架的局部非热平衡,推导了有效换热系数。 2.对Darcy定律的和扩展的Darcy进行比较,分析各种适用的条件,对控制方程给与修正。 3.比较多种常用数值计算方法,选取适宜的网格生成技术,方程的离散格式,编写计算程序,并进行程序结果的校验,最终选择本文采用的方法。 4.利用数值模拟的方法研究多孔介质中存在温度梯度、浓度梯度并具有热质渗透壁面时受迫流动对传热传质的影响。采用有限容积法在同位网格上离散控制方程,对流项采用二阶精度的QUICK格式。利用SIMPLE方法求解压力和速度的耦合问题。利用所编写的程序,分别模拟了直通道和复杂通道在不同孔隙率、不同温度、不同流速条件下,流场、温度场和浓度场以及Nu数和Sh数的变化规律。