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多孔介质复合腔体内自然对流及传热的实验研究

王栋  
【摘要】:自然界和实际工程中普遍存在多孔介质和流体复合系统,系统中的流体流动和传热传质现象也是无处不在,例如,粮食干燥过程、建筑围护结构、保温材料、地下水污染、核能利用和微电子技术等。很多问题的本质就是多孔介质薄层与流体组成的复合腔体,其内部的流体流动和传热传质在自然界和工程实际中引起学者们的广泛关注。考虑到测试技术的局限性,研究者很少对复合腔体内的自然对流和传热现象进行实验研究。然而随着近年来测试的技术的飞速发展,对该领域的实验研究成为可能,可以真实准确的描述自然对流及传热的过程,将为工程实际提供可靠的理论依据和指导意义。 本文采用了理论分析、数值计算和实验相结合的研究方法,首先考虑了多孔介质/纯流体区域的交界面应力滑移效应,从而建立了复合腔体自然对流的两区域数学模型,并利用有限元法辅以交界面弱约束条件对无量纲化的控制方程进行离散和求解。从中发现多孔介质薄层厚度、位置和瑞利数对腔体内自然对流及传热有着至关重要的影响;应力滑移系数β1和β2对交界面处的速度和温度有影响,但对腔体内整场速度和温度分布影响不大。 在理论分析和数值模拟的基础上,制作了不同孔隙率的多孔介质薄层,加工了多孔介质复合腔体实验模型,随后搭建了实验台,采用二维粒子图像测速PIV技术对水平方向上左右壁面设定了温度差使复合腔体内流体形成的自然对流进行了测试,首先考察了腔体内流体的非稳态流动过程,通过对不同时间节点测试得出的流场判断流动的稳定性,从而为实验步骤提供理论依据,具有指导意义。随后考察了不同多孔介质厚度、位置和不同瑞利数Ra下的腔体内流体自然对流。通过拍摄照片的后处理计算得到固定时间内的流场。实验结果表明:腔体内的流动随瑞利数Ra的增大而增强,多孔介质参数及多孔介质不同的分布对腔体内的流场有直接的影响。实验得到的流场与数值模拟结果误差较小。将实验结果与相同工况的数值模拟对比,可以得到二者吻合较好,相对误差较小,同时验证了PIV技术应用于复合腔体流场的测量是比较精确的。 对多孔介质薄层复合腔体内的自然对流影响因素较多,且规律较为复杂,本文重点分析了多孔介质层厚度和位置、瑞利数Ra和多孔介质区域与流体交界面处应力滑移系数(β1与β2)的影响,总结各参数对流动及传热的影响规律,为实验研究复合腔体内的流体自然对流及传热奠定了理论基础。


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