基于LBM的多孔介质内纳米流体相变过程的传热机理分析

摘要

随着科学技术的发展，工业产品设备尤其是电厂锅炉、冶金能源设备如高炉炼铁的水冷壁等对换热特性要求越来越高，对换热能力优异的换热设备的需求越来越明显。而相变换热作为一种相对有效的换热方式，在换热设备中应用较为广泛。热管换热性能优异，其通过内部工质相变带走热量，因此工质对热管换热性能起主导作用。而对热管的研究一般分为两个方面：一方面是针对管内的换热工质即本课题的纳米流体；另一方面则以研究吸液芯即管内多孔介质为主。纳米流体的粘性系数、导热系数、热扩散系数和对流换热系数相对于纯基液均有显著增加，这些特性使得纳米流体成为新型相变换热工质。多孔介质密度小、孔隙率高、比表面积大，具有很多优异的特性，因此研究多孔介质内纳米流体的流动相变换热机理具有了重要的意义。本文针对多孔介质及纳米流体进行了数值模拟，采用从介观角度出发的格子Boltzmann方法(LBM)，对多孔介质内纳米流体流动过程的不同阶段的换热过程进行模拟分析，探究其流动换热机理。本文主要研究工作如下：
　　(1)采用Guo等提出的耦合的双分布格子Boltzmann模型，选用水及空气作为参照，模拟部分填充多孔介质的二维方腔内不同纳米流体自然对流换热的速度场与温度场，考察多孔介质孔隙率和无量纲厚度D以及不同的瑞利数Ra和达西数Da和不同的浓度对换热的影响规律。表明不同的Ra和分别存在一个临界瑞利数，且当Ra不同的时候，换热效果会呈现相反的趋势。多孔介质层的厚度非常薄或非常厚时，传热强度对厚度变化较为敏感。同时Da和对自然对流换热影响也比较大。
　　(2)基于LI提出的纳米粒子模型，并结合Zeng的伪势模型，构造一个管内纳米流体中气泡流动沸腾的格子Boltzmann模型，选择体积浓度为3％的Al2O3-水基纳米流体流动沸腾过程中气核的生长、融合聚并及脱离过程进行数值模拟分析。考察了不同气泡间距及不同横向加速度a对气泡生长过程及管内换热效果的影响。表明气泡间距的减小和横向加速的增加均可以强化换热效果。
　　(3)通过随机配置的方法构造一种符合多孔介质吸液芯结构的二维部分填充多孔介质结构模型，结合一种描述多孔介质中纳米流体气液相变过程的模型。模拟发现多孔介质内纳米流体作为换热工质，其沸腾强化换热能力强于纯液体，且在一定范围内，随着纳米颗粒直径的减小，纳米流体在部分填充的多孔介质腔内相变换热能力增强。