气水分层流在多孔介质中的传热研究

摘要

多孔介质中的流动和传热问题广泛存在于建筑围护结构及室内环境的控制中，并有着重要的影响。本文主要用实验研究与数值计算结合的方法，对多孔介质内存在不同流体时的传热规律进行研究，并计算了燃煤炉渣作为建筑地基在不同水位时的传热规律，为建筑节能技术提供一定的参考。
　　首先对多孔介质内流体为空气、饱和水及气水分层的传热特性进行了实验研究。发现在多孔介质内空气的传热在重力方向上的等温分层并不明显，饱和水的传热在重力方向上有明显的等温分层，由上至下依次递减，气水分层时，在重力方向有等温分层但并非是依次递减，分界面处温度值高于上层空气层温度。三种情况在水平方向上等温层从左至右均是依次递减。三种情况传热达到稳态的时间，流体为空气时传热达到稳态所用时间最长，用时220分钟;流体为饱和水时传热达到稳态所用时间为195分钟;流体为气水分层时传热达到稳态所用时间最短，为160分钟。
　　其次，用数值计算的方法对流体传热影响的重要参数Ra进行了计算分析。针对不同Ra下三种流体的传热及流动分别进行了计算，发现流体为空气时的温度场与流体为饱和水时的温度场近似，而气水分层流的温度场在分界面处划分为上下两种倾斜方向不同的等温线分布。Ra较低时，流体为空气时与流体为饱和水时的速度场相似，Ra增大到一定值以后，流体为空气时只有高低温壁面存在流速;流体为饱和水时各处均存在流速且分布不均匀;气水分层流时，不同比例下，速度最大值始终在高低温壁面的气水分界处。对于高温壁面平均Nu，流体为空气时，随Ra增加而持续变大,流体为饱和水时增大到一定值就不再有明显变化;气水分层流的高温壁面平均Nu，在不同的空气与水的比例下并不相同，且没有规律性的变化。
　　再次，对燃煤炉渣被用作地基材料时，地下水位与地下室地面存在高度差时，不同季节其内部的传热规律及对墙体和室内温度场传热的影响进行了研究。研究发现，在夏季地基内水位与室内地面有高度差与无高度差时的地基相比，墙体内的温度场有所降低;室内空气的流动情况在不同水位时，变化不一。在冬季地基水位与地下室地面存在高度差与无高度差时的炉渣地基相比，墙体内的温度场有所降低;随着水位提高，室内边壁处流线变密，流动加剧;高温壁面的平均Nu随着水位与室内地面高度差的增大而升高，水位与室内地面高差为2米时，室内空气对流传热强度达到最大值。根据发现的规律可以决定室内空气调节系统的是否该增大或减小，有效的进行建筑节能。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 研究的方法与内容

1．4 本文主要工作

1．5 创新工作

2 多孔介质自然对流数学模型及数值计算方法

2．1 多孔介质内传热过程

2．1．1 导热过程

2．2．2 自然对流过程

2．2 多孔介质自然对流与传热的数学模型

2．2．1 多孔介质自然对流与传热基本方程

2．2．2 基本方程无量纲化

2．3 数值计算方法

2．3．1 数值求解方法

2．3．2 求解代数方程的方法

2．3．3 松弛与亚松弛方法

2．4 本章小结

3 多孔介质内不同流体的传热实验

3．1 实验目的

3．2 实验物理模型

3．2 实验内容

3．2．1 实验装置

3．2．2 实验步骤

3．3 多孔介质内单相及两相流体传热实验

3．3．1 多孔介质内空气的传热实验

3．3．2 多孔介质内饱和水的传热实验

3．3．3 多孔介质内气水分层的传热实验

3．4 多孔介质内不同流体传热的对比分析

3．4．1 三种流体下的传热对比分析

3．4．2 不同流体下相同位置的温度变化

3．4．3 小结

3．5 验证数值解法的正确性

3．5．1 物理模型

3．5．2 网格无关性验证

3．5．3 数值结果与实验结果的对比

3．5．4 小结

3．6 本章小结

4 多孔介质内不同流体的数值计算

4．1 多孔介质内流体为空气时的传热数值计算

4．1．1 多孔介质内流体为空气时的温度场数值计算

4．1．2 多孔介质内流体为空气时的速度场数值计算

4．1．3 流体为空气时高温壁面平均Nu随Ra的变化

4．2 多孔介质内流体为饱和水时的传热数值计算

4．2．1 多孔介质内流体为饱和水时的温度场数值计算

4．2．2 多孔介质内流体为饱和水时的速度场数值计算

4．2．3 流体为饱和水时高温壁面平均Nu随Ra的变化

4．3 多孔介质内空气与水比例不同时的传热数值计算

4．3．1 空气与水不同比例时的温度场

4．3．2 空气与水不同比例时的速度场

4．3．3 空气与水不同比例时高温壁面平均Nu随Ra的变化

4．4 流动及传热对比分析

4．5 本章小结

5 不同水位燃煤炉渣地基对室内空气传热及流动影响

5．1 物理模型及数学模型

5．1．1 物理模型

5．1．2 数学模型

5．2 夏季地基中水位对室内空气流动及传热的影响

5．2．1 计算结果与分析

5．2．2 流函数计算

5．3 冬季地基中水位对室内空气流动及传热的影响

5．3．1 温度场的计算

5．3．2 流函数计算

5．3．3 高温壁面平均Nu数的变化

5．4 本章小结

6 结论与展望

参考文献

附录

作者简历

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