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多孔介质传热局部非热平衡效应的基础问题研究

欧阳小龙  
【摘要】:研究多孔介质内的流动传热现象的传统方法主要基于局部热平衡假设,即认为多孔固体骨架与当地流体两相温度相等,用局部热平衡模型来描述多孔介质的能量传递。但是,当多孔介质的内部换热不充分时,多孔介质内两相温度差不可忽略,局部热平衡假设不再适用。此时传热过程必须使用局部非热平衡模型描述,其中偏离局部热平衡状态的效应即为局部非热平衡效应。局部非热平衡效应在多孔介质散热器、发汗冷却、地热开采等工程领域起重要作用。然而,由于双温度场耦合的复杂性,目前研究中关于局部非热平衡模型以及局部非热平衡效应的认识并不充分,有若干科学问题亟需解决。本文以完善局部非热平衡模型的基本框架为主要目的,并揭示局部非热平衡效应对多孔介质传热的影响,以提高多孔介质传热预测的精度。基于体积平均方法,对与多孔介质接触的不可渗固壁建立起一个原创的局部非热平衡模型,发现了固壁上局部切向导热热阻对边界上热流密度分配的热桥效应,从而解释了多孔介质边界上热流密度分配规律,建立起局部非热平衡模型热边界条件的一般理论,提出新的热边界条件模型。对多孔介质槽道的热进口段进行解析求解,分析了不同边界条件下局部非热平衡效应对热进口段长度和传热特性的影响,并发现了该效应与多孔介质Biot数和固-流等效导热系数比的定量关系。鉴于等效导热系数对局部非热平衡模型的重要性,创造性地结合模拟退火算法和离散元法,对随机颗粒排列烧结多孔介质的等效导热系数进行了建模和预测,解释其值远小于经典局部非热平衡模型的值的原因,并分析了等效导热系数对局部非热平衡效应的敏感度。通过宏观尺度与孔隙尺度模型的对比、数值结果与解析解结果的对比以及模拟结果与实验结果对比,验证了以上三个模型的可靠性。最后,以增强型地热系统和CO2地质埋存和两个工业应用为例子,对瞬态过程和多孔介质两相流中局部非热平衡效应进行了分析,发展了三方程非热平衡模型以描述增强型地热系统中颗粒导热热阻的影响,提出了一维系统的局部非热平衡效应判据,还提出了增强型地热系统中的参数优化方法;发现在大颗粒、高流速、两相流的情况下CO2地下埋存初始阶段的局部非热平衡效应显著。


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