基于LBM的多孔介质内汽液相变过程的传热机理研究

摘要

多孔介质及其内部的流动传热传质现象遍及于人类生产生活的各个领域，特别是伴随相变的多孔介质单组分多相流以及多组分多相流的传热传质问题是近年来出现在许多科学和工程技术领域中的具有重要工程背景的前沿课题。本文在综述多孔介质的组成、传热特点及多孔介质内单相和多相流动理论与实验研究现状的基础上，采用理论分析和数值研究相结合的手段，基于格子Boltzmann方法对多孔介质分别在表征单元体积尺度和孔隙尺度下，其内部汽液相变过程不同阶段的流动传热机理进行了细致的模拟研究。
　　在表征单元体积尺度下，以耦合的格子 Boltzmann模型为理论基础建立了求解多孔介质内热流动的数学模型。通过模拟部分填充多孔介质腔内的自然对流传热，并对相关参数研究发现，当多孔介质层的厚度D非常薄或非常厚，即D?0.1或D?0.9时，传热强度对厚度变化较为敏感；当多孔介质层厚度介于0.1~0.9范围内时，其厚度的变化对传热所产生的影响不是非常明显。Ra数以及Da数较大（5Ra?10，-5Da?10）时对自然对流传热影响较大，反之，影响很小。但相比于Da数，Ra数对自然对流传热的影响更为明显。在Da数较大（-5Da?10）的情况下，孔隙率?的变化对自然对流换热的影响较大，随着?的增加，多孔介质方腔内流动和传热效果显著。
　　在孔隙尺度下，为了获得多孔介质的具体结构，首先对直接法、一般配置法、基于过程的构造方法（QSGS）和统计方法进行了对比分析，选取了一般配置法和基于过程的构造方法对多孔介质结构进行构造；其次，以QSGS方法随机构造的多孔介质结构为基础，结合相变格子 Boltzmann模型，建立了该尺度下多孔介质内相变过程的数学模型。通过模拟，研究了相变过程中多孔介质孔隙内气泡的形成、长大、融合过程以及气泡与固体壁面的碰撞、反弹等过程。最后，在三种不同热负荷下，分析了液相到气相的转变规律，得出气相和液相的质量变化。同时，将模拟结果与理论解相对比，可以得到二者气相和液相的质量最大相对误差分别为0.09％、0.19%、0.32%和0.11%、0.38%、1.49%，分析发现，数值模拟结果可以较好地对应至理论解。

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第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 格子Boltzmann方法的发展历史与应用

1.3 本课题国内外研究现状与进展

1.4 本课题的主要研究内容

第2章 格子Boltzmann理论

2.1 Boltzmann方程与格子Boltzmann方程

2.2 单相基本格子Boltzmann模型

2.3 多相和多组分的格子Boltzmann模型

2.4 格子Boltzmann方法的边界处理

2.5 本章小结

第3章 多孔介质内自然对流传热研究

3.1 物理模型与控制方程

3.2 格子Boltzmann模型

3.3 数值模拟结果及分析

3.4 本章小结

第4章 二维多孔介质随机重构技术

4.1 一般配置法

4.2 基于过程的QSGS随机生长法

4.3 本章小结

第5章 多孔介质内相变过程模拟研究

5.1 相变格子Boltzmann模型

5.2 多孔介质中相变格子Boltzmann模型

5.3 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢