多孔介质流动特征实验研究——水晶玻璃球填充床

摘要

多孔介质的应用遍布工业，农业以及自然界中的各个领域，而多孔介质中的复杂流动涉及到很多工业工程和自然过程，例如气体吸附、过滤、燃烧、催化反应器、水文监测等。目前这种复杂流动的机理仍然不清楚，比如流态变化，阻力计算等，为多孔介质在生活，工程中的应用带来了困难。
　　本文利用图像测速技术（PIV）和折射率匹配技术对水晶玻璃球填充床内单相流动进行了可视化研究。实验主体采用内径100mm，外径110mm，高250mm的圆柱形石英玻璃管，内部随机填充直径25mm的水晶玻璃球，孔隙率为0.45。流体由65％苯甲醇和35%无水乙醇配制而成，折射率1.477。实验在常压下进行，实验主体流量范围0.03-2.3m3/h，雷诺数范围100　　随机填充球床多孔介质孔隙结构并非各向同性的，从球床中心截面图像可以看出，不同位置处孔隙结构差别很大，孔隙各个方向连通的喉道尺寸和形状也各不相同。此外，截面中央区明显出现了沿主流方向的大流通通道，左侧出现较明显的流通通道，右侧通道则很小，这决定了流动的主要特征。
　　随着雷诺数的增加，阻力压降也逐渐增加，且增加趋势是非线性的。就本次实验条件，Ergun经验公式在一定区域内（Rep<500）能很好的预测球床内压降的变化，但在雷诺数Rep>1000时，计算值与实验值偏差超过50%。
　　球床多孔介质内流场矢量方向受粘性力和惯性力的影响，流速分布受孔隙尺寸和喉道尺寸共同影响。在低雷诺数时（Rep<130）,流场矢量方向主要受粘性力的影响。在孔隙中心处，矢量方向沿主流方向；孔隙边缘处，矢量方向沿多孔介质形状分布。在高雷诺数时（Rep>220），矢量方向在惯性力的影响下逐渐变得无规则。
　　从球床多孔介质内不同雷诺数时的流线图看出，当雷诺数Rep<130时，多孔介质内部流线沿孔隙形状近似平均分布，流线之间互不影响；当雷诺数130220时，小漩涡进一步发展为成熟稳定的大漩涡。
　　通过将Fluent模拟结果与实验结果对比发现，k-ε模型能在定性上模拟出多孔介质内流动，但无法模拟出局部流动特征和漩涡等。

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1 综 述

1.1 引言

1.2 多孔介质流动国内外研究现状

1.3 多孔介质内部流动特征研究存在的问题

1.4 本文主要内容

2 实验系统和实验步骤

2.1 实验设计

2.2 实验台安装和调试

2.3 实验步骤及注意事项

2.4 本章小结

3 球床多孔介质内单向流动流场测量

3.1 实验多孔介质

3.2实验流体

3.3 示踪粒子的选择

3.4 实验压降测定

3.5 多孔介质内部流场与流线图

3.6 实验误差分析

3.7 本章小结

4 Fluent软件数值模拟计算

4.1 Fluent软件中多孔介质模型介绍

4.2 结果和分析

4.3 本章小结

结论

参考文献

在学研究成果

致谢