基于格子Boltzmann方法的泡沫金属内固液相变传热过程的研究

摘要

泡沫金属内固液相变传热的研究在储能、建筑节能、新能源利用、制冷与空调、航天科技、电子器件冷却等领域有着重要的理论意义和应用价值。由于泡沫金属的结构复杂性及固液相变过程的非线性特征，泡沫金属中固液相变传热机理研究尚不充分。为此，本文以开孔泡沫金属内固液相变传热过程为研究对象,开展以介观计算方法—格子Boltzmann方法为主要研究手段的数值模拟研究，并辅助以必要的理论分析和实验研究。
　　 首先，基于表征体元(RepresentativeElementaryVolume，REV)尺度和孔隙尺度的连续性方程、动量方程和能量方程，建立了开孔泡沫金属中固液相变传热与流动过程的数学模型。其中，REV尺度能量方程采用双温度模型以考虑泡沫金属骨架与填充介质之间局部热非平衡效应，流动过程的控制方程选用Brinkmann-Forchheimer-Darcy通用渗流模型，相变过程采用焓法加以处理。
　　 在数学模型基础上，从固液相变传热与有内热源的导热过程的相似性出发，把源强化传热概念及对流换热的场协同理论引入到非稳态固液相变传热研究中，推导了表面换热平均Nusselt数的解析表达式，对泡沫金属内固液相变传热强化提供了新的分析思路。另外，针对泡沫金属内固液相变过程中局部热非平衡效应进行了理论分析，提出了表征局部热非平衡效应的理论关联式，理论分析表明:相变过程加大了局部热非平衡效应，局部热非平衡效应不仅与Sparrow数、有效热容比有关，还与Stefan数等相关。
　　 在数学模型求解上，发展了与泡沫金属内流动及传热多尺度研究相适应的介观数值计算方法—格子Boltzmann方法(LatticeBoltzmannmethod，LBM)，并通过选择合适的平衡态分布函数及非线性源项形式，建立了REV尺度和孔隙尺度的多分布函数热格子Boltzmann方法模型，并通过大量的数值实验，模型或方法的有效性得到了验证。
　　 基于REV尺度针对泡沫金属内固液相变传热过程进行了数值模拟研究，系统地分析了Rayleigh数Ra、Darcy数Da、Prandtl数Pr、Stefan数Ste、骨架导热系数比、孔隙率、孔密度、局部热非平衡效应等因素对相变传热的影响。REV尺度模拟结果表明:(1)相变畜热系统中加入开孔泡沫金属一方面可提高系统的导热性能，但另一方面也导致了自然对流传热一定程度上被抑制;(2)自然对流对融化相变过程有着重要的影响，且随Ra增大而增大，但换热增强的程度却逐渐减弱，这主要因为速度场与温度梯度场协同程度逐渐变差的缘故;(3)与低孔隙率多孔介质相比，泡沫金属系统中非Darcy效应通常比较明显，自然对流对相变传热影响并不能独立地决定于多孔介质无量纲参数综合Rayleigh数Ratotal，还有Da值范围相关;(4)在固定孔隙率的情况下，孔密度的增加意味着换热面积的增加，但同时也会导致液相自然对流流速的下降，其值增加是否能强化相变传热则与液相自然对流强度有关，LBM模拟研究深化了人们对孔密度变化对相变传热影响的认识;(5)局部热非平衡效应与许多因素相关，其存在将导致泡沫金属强化传热性能的降低。
　　 基于人工构造的二维及三维泡沫金属结构模型，从孔隙尺度对泡沫金属内固液相变过程进行LBM模拟，揭示了微观孔隙尺度下固液相变传热及流动特征，分析了孔隙率、孔密度、骨架纤维形状、结构缺陷等结构相关参数对相变传热的影响。孔隙尺度的研究表明，在相变前沿区域泡沫金属骨架附近的相变材料通常首先发生相变（融化或凝固），然后以骨架为中心其相变范围不断得以扩大，这说明该区域骨架导热在相变传热中占有主导作用，而自然对流传热地位居次。孔隙率及孔密度对相变传热影响的孔隙尺度分析与REV尺度分析结论是基本一致的。相比骨架纤维断面为方形或圆形的泡沫金属，三角形骨架纤维的泡沫金属具有更好的换热性能。孤立分布的固体颗粒物及骨架断裂等结构缺陷在不同程度上降低了理想结构泡沫金属材料的传热性能。
　　 在实验研究方面，采用光学显微及红外热成像技术开展了泡沫金属内固液相变传热的可视化实验，观测了泡沫金属微观孔隙结构下固液相变传热与流动特征。可视化实验研究进一步揭示了微观孔隙结构下相变材料固液相变特性以及验证了泡沫金属强化传热的有效性。
　　 本文在表征体元尺度和微观孔隙尺度上探索研究了开孔泡沫金属中固液相变传热及流体流动特性及规律，为优化泡沫金属结构强化相变传热性能提供帮助，并为相变储能系统的开发提供了重要的理论依据。

目录

声明

摘要

主要符号表

第一章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 相变材料及其强化传热技术

1．2．2 强化传热理论——源强化传热概念及场协同理论的概述

1．2．3 泡沫金属内流动及传热过程的研究

1．2．4 泡沫金属内固液相变传热过程的研究

1．2．5 多孔介质内输运过程的研究方法概述

1．2．6 格子Boltzmann方法在多孔介质内流动及传热研究中的应用

1．2．7 格子Boltzmann方法在固液相交传热研究中的应用

1．3 本文的研究内容

第二章 泡沫金属内固液相变传热过程的数学模型及理论分析

2．1 数学模型

2．1．1 基于表征体元(REV)尺度的宏观数学模型

2．1．2 基于孔隙(Pore)尺度的微观数学模型

2．2 泡沫金属内固液相变传热强化物理机制的理论分析

2．2．1 源强化传热概念及场协同理论

2．2．2 源强化传热概念及场协同理论在固液相变传热的应用

2．2．3 源强化传热概念及场协同理论在泡沫金属内固液相变传热的应用

2．2．4 自然对流产生的条件及其作用下相变传热过程的比尺分析

2．2．5 局部热非平衡效应的表征及影响因素分析

2．3 本章小结

第三章 泡沫金属内固液相变传热过程的格子Boltzmann方法

3．1 格子Boltzmann方法基本模型

3．1．1 等温流体动力学格子Boltzmann模型

3．1．2 非等温热流体动力学格子Boltzmann模型

3．2 格子Boltzmann方法的边界条件及作用力的处理

3．2．1 格子Boltzmann方法的边界条件处理格式

3．2．2 格子Boltzmann方法的作用力处理模型

3．3 多孔介质内流动及传热的格子Boltzmann模型

3．4 泡沫金属内固液相变传热过程的热格子Boltzmann模型

3．4．1 表征体元尺度的LBE模型

3．4．2 孔隙尺度的LBE模型

3．5 本章小结

第四章 泡沫金属内固液相变传热过程的REV尺度LBM模拟研究

4．1 泡沫金属内流动及传热过程的几何及物理参数模型

4．1．1 孔隙率、平均孔径和纤维断面平均直径

4．1．2 多孔介质形状因子和渗透率

4．1．3 有效粘性系数

4．1．4 有效热传导系数

4．1．5 界面热交换系数

4．1．6 单温度方程模型和双温度方程模型的参数数量比较

4．2 格子Boltzmann方法模型验证

4．2．1 纯相变材料固液相变过程的格子Boltzmann方法模型验证

4．2．2 局部热平衡条件下的格子Boltzmann方法模型验证

4．2．3 局部热非平衡条件下的格子Boltzmann方法模型验证

4．3 局部热平衡条件下泡沫金属内固液相变传热过程的LBM模拟

4．3．1 自然对流作用下的泡沫金属内融化传热过程

4．3．2 自然对流作用下泡沫金属内冻结及凝固传热过程

4．4 局部热非平衡条件下泡沫金属内固液相变传热过程的LBM模拟

4．4．1 泡沫金属内融化传热过程的局部热非平衡效应分析

4．4．2 孔隙率对融化传热过程的影响

4．4．3 孔尺寸(或孔密度)大小对融化传热过程的影响

4．5 本章小结

第五章 泡沫金属内固液相变传热过程的孔隙尺度LBM模拟研究

5．1 多孔泡沫金属几何结构模型

5．2 泡沫金属内多相耦合导热问题的LBM模拟

5．2．1 控制方程

5．2．2 多相耦合导热的格子Boltzmann方法模型

5．2．3 多相耦合导热的格子Boltzmann模型的验证

5．2．4 二维正六边形骨架的泡沫金属模型结构下多相导热过程的模拟

5．2．5 二维规则填充多孔介质模型结构下多相耦合导热过程的模拟

5．3 二维泡沫金属结构下具有固液相变的导热过程LBM模拟

5．4 二维泡沫金属孔隙结构下自然对流传热过程的LBM模拟

5．4．1 孔隙尺度下自然对流的控制方程

5．4．2 格子Boltzmann方法模型

5．4．3 孔隙结构下流场及温度场特征

5．4．4 孔密度对自然对流传热的影响

5．5 二维孔隙尺度下伴随有自然对流的固液相变传热过程的LBM模拟

5．5．1 填充泡沫金属的封闭矩形腔内融化传热过程的物理模型

5．5．2 二维规则泡沫金属模型结构下融化传热过程的LBM模拟

5．5．3 二维重构泡沫金属模型结构下融化传热过程的LBM模拟

5．6 三维泡沫金属模型结构下固液相变传热过程的LBM模拟

5．6．1 三维泡沫金属模型结构下固液相变传热过程的物理模型

5．6．2 三维多分布函数流动及传热耦合格子Boltzmann方法模型

5．6．3 边界条件处理

5．6．4 三维泡沫金属结构下融化传热过程的模拟结果及讨论

5．6．5 三维泡沫金属结构下冻结及凝固传热特征

5．7 本章小结

第六章 泡沫金属内固液相变传热过程的实验研究

6．1 泡沫金属内融化相变传热的可视化实验研究

6．1．1 实验装置

6．1．2 实验方法

6．1．3 试验结果分析与讨论

6．2 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 主要创新点

7．3 进一步研究的设想与展望

参考文献

致谢

攻读博士期间发表论文