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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

王丽  
【摘要】: 多孔介质中的流体流动及传热传质现象遍及于自然界和工农业生产的各个领域,其中由多孔介质与流体组成的复合区域问题具有广泛的应用背景,例如,干燥过程、凝固过程、高性能保温建筑、热管、太阳能集热器、地热工程、核能利用和原油提取等。尽管近半个世纪以来,国内外学者对多孔介质腔体和纯流体腔体内流体流动和传热传质现象展开了深入的探讨和研究,但是,对多孔介质与流体组成的复合腔体的研究相对较少。而在工程实际中,涉及到多孔介质与流体组成的复合腔体的问题比较多,因此,多孔介质与流体组成的复合腔体内流体流动和传热传质机理的研究还需要更多的关注,以便为指导工程实际提供相应的理论依据。 部分填充多孔介质复合腔体内温度梯度、浓度梯度及多孔介质区域都对腔体内的流体流动及传热传质有显著影响,而以往的研究大部分局限于一种因素。本文采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法,探讨多孔介质区域与流体空间交界面应力滑移条件的影响,重点讨论温度梯度、浓度梯度共存时,复合腔体内流体流动及传热传质的规律。考虑多浮升力、多孔介质区域及交界面应力滑移条件的基础上,建立了复合腔体双扩散自然对流的两区域模型,并采用有限元理论辅以交界面弱约束条件对无量纲控制方程进行离散和求解。 在温度场与浓度场共存的情况下,对不同工况进行模拟计算和分析,得出了复合腔体双扩散自然对流的基本规律,展示了流场、温度场、浓度场随多孔介质层厚度d、瑞利数Ra、浮力比数N、刘易斯数Le、达西数Da、交界面应力滑移系数β1和β2等特征参数的变化情况,探讨了这些特征参数对壁面传热传质系数的影响规律。 通过对复合腔体内壁面热质传递的研究,发现Da数对传热传质有重要的影响,较小的Da数对热质扩散有显著的阻碍作用;浮力比数N对流动特征有显著的影响,主导着温度场和浓度场的分布特征,直接影响传热传质;交界面应力滑移系数β1和β2对交界面附近的速度有很大的影响,对整场速度分布影响不大,对温度场和浓度场分布影响较小。 在理论分析和数值模拟的基础上,搭建了复合腔体流动实验台,在水平方向上施加温度梯度使腔体内形成自然对流,采用二维粒子图像测速PIV技术对不同Ra数下的流场进行了测试。测试结果表明:腔体内的流动随Ra数的增大而逐渐剧烈,而多孔介质的存在对腔体内的流场有非常大的影响。比较实验实测流场与数值模拟结果,二者吻合较好。 部分填充多孔介质复合腔体内双扩散自然对流的影响因素众多,规律较为复杂,本文重点研究了多孔介质参数(多孔介质层厚度d、达西数Da、孔隙率ε)、双扩散参数(瑞利数Ra、浮力比数N、刘易斯数Le)和多孔介质/流体交界面应力滑移系数(第一应力滑移系数β1、第二应力滑移系数β2)的影响特性,得到了各特征参数对传热传质的影响规律,为研究复合腔体内的热质传递奠定了理论基础。


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