多孔介质对流换热系数的分形研究

摘要

多孔介质具有良好的蓄热和换热性能，广泛应用于化工、环保、冶金、建材、矿业等许多工业过程。而多孔介质的高效热回收和强化传热问题近年来一直是研究的热点。其中，获取准确和适用范围广的对流换热系数一直是多孔介质对流换热研究的主要任务、核心和关键。通过对近年来国内外的研究总结发现，多孔介质内部对流换热系数关联式主要通过实验和数值模拟方法得到，而郑坤灿的多孔介质管流模型分形理论解形式更接近流体外掠球体的努塞尔数形式。
　　为了获取准确和适用性广的多孔介质对流换热系数，同时考查多孔介质内部流动形态究竟更接近绕流流动还是管流流动，本文建立了多孔介质绕流模型及孔喉模型，基于分形理论，推导得到了绕流模型及孔喉模型下的多孔介质对流换热系数分形关联式，并运用数值研究对所得结果进行了验证，通过与传统经典解“Wakao and Kaguei”公式对比，得到了它们的适用范围。
　　对于绕流模型，在雷诺数为103~7.6×104，普朗特数为0.5~15，孔隙率为0.39~0.49，温度在1200K以下时，分形解与传统准则方程“Wakao and Kaguei”公式相吻合，最大相对偏差在20％以内。对于孔喉模型，分形解在雷诺数5310?Re?10，普朗特数0.5~55时，与传统准则方程“Wakao and Kaguei”公式相吻合，最大相对偏差在20%以内。孔隙率及温度变化对该分形解影响不大，其与传统方程最大偏差随孔隙率及温度变化均保持在10%以内。通过对两种模型分形解与传统解得比较还发现，在低雷诺数时，分形解比传统解偏大，有较大误差，随着雷诺数增加，分形解与传统解趋于一致，当雷诺数增大到一定值后，分形解会比传统解偏小，且随着雷诺数增大，偏差越来越大。
　　此外，本文还选取了七种不同级配粒度级的多孔介质，并通过 Matlab软件对一些经典的传统解关联式与本文理论推导得到的两种模型下分形解关联式以及郑坤灿的管流模型分形解关联式进行了比较计算。计算中采用水作为流体，同时考虑了当量直径、孔隙率和雷诺数几个因素对它们的影响，得到了努塞尔数变化对比图，并分析了这些对流换热系数关联式究竟什么情况下能相互替代，它们之间究竟有多大差异。

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1绪论

1.1课题背景及意义

1.2多孔介质概述

1.3分形理论简介

1.4多孔介质流动与传热研究综述

1.5主要研究内容及方法

2基于绕流模型的多孔介质分形对流换热系数研究

2.1多孔介质分形理论基础

2.2建立多孔介质结构模型

2.3选取REV特征单元

2.4分形对流换热系数准则方程理论推导

2.5分形解的适用范围研究

3基于孔喉模型的多孔介质分形对流换热系数研究

3.1建立多孔介质结构模型

3.2分形对流换热系数准则方程理论推导

3.3分形解的验证与修正

4不同对流换热系数对比分析

4.1孔隙率和当量直径的计算和选取

4.2不同对流换热系数Nu数对比

结论

参考文献

在学研究成果

致谢