恒热流边界条件下流体横掠多孔介质中平板的边界层分析

基于Brinkman-Forchheimer-extended Darcy流动模型,对恒热流条件下流体横掠多孔介质中平板的强制对流进行了边界层分析。通过建立二维流动的连续方程、动量方程和考虑流体与多孔介质局部非热平衡时的能量方程,应用数量级分析和积分的方法对方程组进行简化和求解,得出了流体的速度分布、温度分布、速度边界层和温度边界层的厚度、对流传热的理论关联式。研究结果表明:恒热流条件下流体横掠多孔介质中平板的速度边界层与光板时完全不同,其在平板前端迅速增长,随后沿着流动方向变得非常平坦并趋于一定值;而温度边界层的厚度发展则与光板时类似,沿着流动方向不断增长,且与壁面处热流密度的大小无关。     

多孔介质平板通道与空通道的速度分布和温度分布的解析解

建立了平板通道内填充多孔介质和空通道两种情况传热模型,求解动量方程和能量方程的解析解,获得速度分布和温度分布,分析Da数、Bi数、有效导热系数比和孔隙率等参数对温度分布、局部非热平衡程度以及Nu数的影响。计算求解表明,通道内填充多孔介质后流体的速度分布和温度分布更均匀,速度边界层更薄;随着Bi数和有效导热系数比k的增大,θ_s-θ_f的值减小,局部非热平衡程度减弱,Bi越大,θ_s与θ_f越接近,即越接近局部热平衡状态。孔隙率对局部非热平衡程度和Nu数的影响不明显;Nu数随着有效导热系数比k和Da数的减小而增大,随着Bi数和孔隙率的增大而增大,当k1时,变化明显,k1时,变化不明显.     

金属氢化物放氢过程数值分析

通过分析外壁处有恒温热源条件下贮氢合金放氢过程的传热现象,建立多孔介质的传热模型,研究分析了真空烧结的多孔贮氢复合材料放氢过程中温度场和速度场变化规律．计算结果表明,当反应焓变小于外界传入的热量时,温度逐渐上升．由于从内壁到外壁热阻很大,导致靠近内壁处温度难以上升,氢气也就难以释放,故为提高合金利用率,须减小传热间隔,并适当提高初始温度。氢气流速刚开始时大,很快趋于平稳．孔隙率对温度分布和流速影响很大,孔隙率越大,则气流速度更平缓易于控制,但使合金含氢量减小．选取合适的贮氢合金孔隙率对金属氢化物放氢过程较为关键．     

倾斜多孔介质方腔内纳米流体自然对流的格子Boltzmann方法模拟

利用格子玻尔兹曼方法 (lattice Boltzmann method, LBM) 对倾斜多孔介质方腔内 Al_2O_3-H_2O 纳米流体的自然对流进行数值模拟, 考虑了孔隙率 (0.3 ≤?≤ 0.9)、瑞利数 (10~3 ≤ Ra ≤ 10~6)、纳米颗粒体积分数(0 ≤ ? ≤ 0.04) 和倾斜角 (0°≤γ≤ 120°) 等因素的影响, 研究了正弦温度分布边界条件下倾斜多孔介质方腔内纳米流体的自然对流传热机理. 结果表明: 若?和γ保持不变时, 随着 Ra 数的增大, 热壁面处的平均努塞尔数 (Nu_(ave) 数) 呈现出先减小后增大的趋势; 对于给定的 Ra 数, 当γ = 0°时, 随着孔隙率的增大, 热壁面处Nu_(ave) 数逐渐增大, 当γ = 40°, 80°和 120°时, Nuave 数在?= 0.7 左右时达到最大值; 若?和 Ra 数保持不变, 当γ = 40°时, 方腔内的自然对流换热效率最强, 当γ = 80°时热壁面自然对流换热效率被削弱. 最后, 研究了纳米颗粒体积份数的影响, 当方腔施加一定倾角时, 热壁面处的 Nuave 数随着纳米颗粒体积分数的增大而增大.     

三维有序排列多孔介质对流换热的数值研究

利用CFD软件数值研究了颗粒三维有序堆积多孔介质的对流换热问题. 采用颗粒直径分别为14 mm,9.4 mm和7 mm的球形颗粒有序排列构成多孔介质骨架,在多孔骨架的上方有一恒热流密度的铜板. 采用流固耦合的方法研究了槽通道内温度分布和局部对流换热系数的分布以及对流换热的影响因素. 研究结果表明:热渗透的厚度和温度边界层的厚度在流动方向上逐渐增大,并且随流量的增加而减小;当骨架的导热系数比较高时,对流换热随颗粒直径的减小而略有增大;对流换热系数随聚丙烯酰胺溶液浓度的增大而减小,黏性耗散减弱了对流换热. 关键词： 多孔介质 温度场 局部对流换热系数 数值模拟     

多孔介质中盐指现象的数值模拟

运用基于杂交网格的高精度数值方法研究了多孔介质中的盐指现象.该算法将基于边界拟合坐标下的高精度有限差分法和高精度的泊松方程快速求解器有效地结合在一起,从而达到提高整体的计算精度、计算效率和稳定性的目的.通过比较不同孔隙率的多孔介质对盐指对流的传热传质效应的影响,发现在标准孔隙率较低的多孔介质中,盐度扩散的速度明显比热扩散的速度快,盐指很快触及上下壁面,使得上下层的盐度梯度迅速减小,这是与非多孔介质具有明显差异之处. 关键词： 多孔介质 双扩散对流 盐指     

高温气冷堆堆芯球床流动与温度分布均匀性研究

由于燃料球的随机分布和球床的壁面效应,球床式高温气冷堆堆芯孔隙率分布会有一定的不均匀性。深入认识壁面漏流、随机孔隙率对球床温度分布均匀性的影响对进一步提高高温气冷堆冷却剂出口温度及其安全性具有重要意义。本文采用多孔介质模型实现了对堆芯球床壁面漏流、随机孔隙率效应的数值模拟。结果表明,由于壁面漏流效应,壁面附近局部区域冷却剂最大速度会比中心高50%,对球床温度影响则不大。中心区域局部极小、极大孔隙率只对很小区域内流速和温度有影响,但温度变化幅值很小。球床中心随机孔隙率使冷却剂速度波动小于13%,对球床温度影响很小。     

壁面效应对纳米尺度气体流动的影响规律研究

采用分子动力学方法研究了过渡区纳米通道内的壁面力场对气体剪切流动的影响规律.在纳米尺度下,壁面力场对流场的主导作用更加显著,流动物理量对于壁面条件和系统温度的变化也更加敏感.壁面原子的运动采用Einstein模型模拟,结果表明随着壁面刚度的增加,气体在近壁面区域的速度峰值减小,气体分子与壁面的动量适应性变差.壁面粗糙度通过金字塔形模型来研究,发现无论是主流区域还是近壁区域,壁面粗糙度对流动的影响都非常明显.当粗糙单元高度增大时,气体分子在壁面处的聚集现象明显,与壁面完全动量适应.本文还研究了系统温度对纳米通道流动的影响,结果表明温度的影响是全局性的,温度的升高导致整个通道内流速降低,近壁区域气体密度减小,气-固动量适应性变差.     

管外包覆多孔介质强化换热的数值研究

本文对管外包覆多孔介质的无限长圆管绕流的流场和温度场进行数值模拟,研究了多孔介质层的无量纲厚度ep,达西数D_a以及雷诺数Re对流动和强制对流换热特性的影响。研究结果表明,管外包覆多孔介质后的强制对流换热效果明显强于光管条件下的效果,换热增强了2.8~5.4倍;壁面平均努塞尔数Nu随e_p和Re的增大而增大,随Da的增大而减小;管壁处的流动阻力系数C_D随ep的增大而增大,随D_a的减小,先增大后减小,当Da小于1×10~(-5)时,阻力系数保持不变。     

多孔介质内颗粒流动特性及其对传热影响的模拟研究

研究采用CFD-DEM方法结合DEM耦合对流与导热的传热模型,对三维不规则孔隙结构多孔介质内细颗粒与孔隙流体的流动及传热特性进行数值模拟。结果显示,颗粒在流体的裹挟下由静止逐渐加速,多孔介质内部温度场、瞬时流体速度大小及方向随着细颗粒与流体的充分混合及颗粒间的弹性碰撞而发生变化。低孔隙率下颗粒易发生沉积,运动轨迹缩短。小孔隙率加速了由热颗粒引起的热传递过程,孔隙内温度上升较快。随着孔隙率增大,颗粒瞬时轴向和径向速度增大,且流动主要沿轴向进行,大孔隙率下颗粒间法向和切向接触力及颗粒拟温度较低,且对单颗粒运动轨迹有显著影响。     

射流冲击泡沫金属流动液膜传热的实验研究

薄液膜蒸发由于其优良的传热特性而被广泛应用于工业领域。在流动液膜上表面覆盖铜质泡沫金属,并耦合空气射流冲击,能够进一步强化传热。多孔泡沫金属提供的毛细驱动力能够有效控制流动液膜的厚度以避免干涸,同时多孔材料特殊的固体骨架构造可以扩大固液、气液传热面积。为了研究射流冲击条件下多孔介质覆盖流动液膜的传热特性,本文通过实验方法,对包括液膜流速Vf、空气射流速度Va、液膜厚度δf和多孔介质孔隙率ε在内的影响因素进行分析,研究并对比这些因素对加热壁面温度Tw、表面传热系数hw以及传热系数提升率的影响。     

伴随水力空化现象的对流换热数值研究

以水为介质,建立了液体流动的混合物多相流模型及空化模型,运用CFD方法对水平圆管内伴随有水力空化现象的受迫对流换热过程进行了数值研究,详细分析了管道入口压力、入口温度和限流孔与管道直径比等因素对水力空化及对流换热过程的影响规律。数值模拟结果表明,空化现象出现在圆管喉部(限流孔)壁面附近区域;与相同流量下无空化时的传热相比,在发生空化现象的区域,传热壁面被蒸汽所覆盖导致传热急剧恶化,而在远离空化发生区域的下游位置,由于空化的扰流作用使得加热壁面与流体之间的传热得到明显改善。     

不连续冷源布局多孔介质内热流耦合LBM数值模拟

为研究不连续冷源边界对内置发热体多孔介质方腔内传热及流动的影响，采用格子Boltzmann方法对REV尺度下多孔介质方腔内的自然对流进行计算，并研究瑞利数（Ra）、达西数（Da）、孔隙度对多孔介质方腔内传热流动的影响.发现Da对方腔内的流体流型影响很大，Da为10^-4时，多孔介质方腔内只有一个涡流，而Da为10^-2时，方腔内有两个涡流.增大Ra、Da、孔隙度可以提高冷源壁面的平均努赛尔数（Nu），增强散热效果，孔隙率对平均Nu影响程度和Da的大小有关.当冷源布置在壁面上方，壁面的平均Nu随Ra的增加剧烈变化，方腔处于高Ra条件下时，将冷源布置在边界的上方可以提高散热效果.6种布置方案中Case 6的散热效果最好.     

组合式吸液芯内液汽相变过程的数值模拟

本文对高温热管吸液芯多孔介质内金属钠液的液汽相变过程进行了模拟研究,并采用流体体积分数模型和传质模型对此过程进行了数值分析.研究表明孔隙率和渗透率越大的组合式吸液芯多孔介质,热量在液态金属中的传递速率越快,进而可以增加高温热管的传热量,提高传热效率;但是孔隙率和渗透率越大,组合式吸液芯多孔介质加热壁面的温度分布越不均匀,产生沸腾传热极限的可能性亦越大.     

局部热壁面多孔介质方腔内自然对流的数值研究

本文对上下壁面绝热、左侧壁面长度为b的嵌装加热器部分维持恒定温度T_h而剩余部分绝热,且右侧壁面维持恒定温度T_c的多孔介质方腔内的自然对流换热进行了数值研究.在热壁面无量纲长度B=0.5(B=b/L)的条件下,综合研究了左侧壁面受热部分中心距上壁面的无量纲长度D(D=d/L)、Da数、Ra数和孔隙率对腔体内自然对流换热的影响.数值计算结果表明,左侧壁面受热部分位置的不同对腔体内自然对流换热有很大的影响,D在0.6附近取值时,Na数最大.Da数、Ra数对腔体的自然对流换热影响较大,而孔隙率对换热的影响较小.     

边界条件局部变化对二维发汗冷却的影响

本文通过对发汗冷却的多孔区域进行二维非热平衡数值模拟,研究了多孔介质区域进口处对流换热系数、冷却剂流量局部降低以及多孔介质受热表面热流密度局部增大对青铜、陶瓷两种不同多孔材料的温度场的影响。计算结果表明,冷却剂在进口处与多孔壁面对流换热系数的增大使多孔介质内部趋向于热平衡;热端壁面对流换热系数、冷却剂流量的局部变化对陶瓷多孔壁面在该局部区域的影响要大于青铜多孔壁面,但青铜多孔壁面受影响的区域更大,而冷却剂流量的局部降低对两种材料固体、流体间温差的影响程度基本一致。     

非能动传热球床堆有效导热系数的壁面效应分析

本文针对非能动传热机制下简单立方球床堆有效导热系数进行了数值研究,根据有效导热系数的空间分布特性,对球床堆的近壁面区域和主体区域作了划分;分析了不同非能动传热机制下的有效导热系数的壁面效应;最后分析了导热、辐射和自然对流对近壁面和主体区域有效导热系数的贡献。结果发现,近壁面区域是在壁面附近一个球径范围内的区域;由于辐射和自然对流的影响,相同温度下近壁面有效导热系数比主体区域的有效导热系数小了近15%。当温度分别超过950 K和1080 K时,辐射成为球床堆主体区域和近壁面区域的主导传热机制;自然对流对有效导热系数的贡献并不大,当温度超过600 K时,自然对流可以忽略。研究结果可以为高温球床堆的设计与优化提供理论基础。     

发汗冷却过程中多孔壁面内的局部非热平衡分析

本文采用局部非热平衡模型对发汗冷却过程中多孔壁面内的换热和流动进行了数值模拟,分析了影响多孔介质内固体骨架与流体的温度及温差分布的因素,研究了这些因素对发汗冷却过程的影响规律.计算结果表明:增大固体骨架的导热系数、增大冷却剂流速或者加强冷端换热有利于提高发汗冷却效率.     

水流经垂直多孔介质同心套管的传热实验研究

本文报道了水向上流经垂直多孔介质同心套管混合对流的传热实验装置和进口段对流换热的实验结果.内装多孔介质的同心套管内热边界层的发展不同于空同心套管,多孔介质对流动的“扰动”明显地影响传热,在热边界层发展段的自然对流影响较大,且随着热边界层的发展其影响逐渐减小.     

堆积多孔介质中流动沸腾换热的实验研究

为了研究堆积多孔介质中流动沸腾换热特性,以横截面积为10 mm×10 mm、长100mm的铜管中充满直径为0.4～1.0 mm、孔隙率为0.31～0.37的钢珠的多孔介质为对象,对水在流过此多孔介质时沸腾换热现象进行了研究,获得了流速、热流密度、粒径和加热方位等对换热性能影响的规律:随着流速的增大,沸腾换热系数增大;随着热流密度增大,沸腾换热系数降低;随着热流密度的变化,小颗粒多孔介质的壁面过热度的变化量比大颗粒多孔介质要大得多;从下表面加热比从上表面加热的壁面过热度要低,约2～3 K,更有利于沸腾换热。