多孔介质与流体复合腔体内自然对流传热的多尺度研究

摘要

在自然和生命现象及工农业生产等诸多领域中，多孔介质和流体组成的复合系统是普遍存在的，其中，涉及到系统中的自然对流及传热现象也是遍及各行各业，比如:核能利用、太阳能集热管、燃料电池、凝固过程、微电子技术、建筑外墙体保温等。由此可见，多孔介质与纯流体组成的复合区域内的流体流动与传热具有重要的应用价值和研究意义，进而引起国内外学者的广泛关注。由于复合区域模型中流动传热在机理研究上较为复杂，在此类问题上开展的工作相对较少。因此，多孔介质复合腔体内的流动与传热问题需要更为深入的研究与探讨，从而为实际工程提供相应的理论指导。
　　 在流场和温度场共同存在下的多物理场中，多孔介质区域与纯流体区域交界面处的应力滑移会对流动和传热造成一定的影响。本文在对所研究课题进行理论分析的基础上，将实验结果与数值模拟结合起来，在考虑多孔介质与纯流体区域交界面上的应力滑移条件后，建立一区域模型，并采用有限元法来计算求解数学方程。
　　 利用X-CT技术对真实多孔介质进行断层扫描拍摄，简要介绍了工业X-CT扫描设备组成、原理及流程。搭建多孔介质结构X-CT测试系统实验台，对四种多孔介质材料近表面处的孔隙率进行了扫描，得出变化曲线，并探讨该区域孔隙率变化规律。对扫描真实多孔介质的结果图片进行了数字化处理，详细描述了整个处理过程与结果。
　　 利用有限元方法，对多孔介质与流体复合封闭腔体内自然对流及传热进行数值模拟。设定左右壁面存在一定温差，模拟分析在不同工况下复合腔体内流场和温度场的变化情况，得到多孔介质和流体组成的复合腔体内自然对流及传热的基本规律。着重探讨多孔介质厚度xp，瑞利数Ra的变化情况对腔体内流场和温度场的影响。并通过改变参数来分析不同工况下多孔介质与纯流体区域交界面上的粘性应力跳跃系数的变化。
　　 在对多孔介质内流动问题的宏观尺度研究基础上，开展了介观尺度的研究，通过使用格子Boltzmann方法，模拟出部分填充规则多孔介质的封闭空腔内的自然对流，分析不同参数的改变对于腔体内自然对流的影响。
　　 此外，对复合腔体内流动的PIV测试实验方案的进行了研究，围绕实验方案的拟定，详细阐述了多孔介质模型的改进过程。
　　 通过以上数值模拟及实验研究，分析探讨多孔介质层厚度和瑞利数对于复合腔体内流动及传热的影响，以及对两区域交界面处粘性应力跳跃系数的影响，为今后真实多孔介质材料流动传热的多尺度模拟研究和测定多孔介质复合腔体内部流动及传热的整体实验奠定基础。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 多孔介质与流体复合区域流动问题的研究概述

1．3 多孔介质与流体复合区域的数值研究进展

1．4 基于多孔介质流动问题的实验研究进展

1．5 本文研究的主要内容

第2章 多孔介质与流体复合腔体内自然对流及传热数学模型

2．1 概述

2．2 多孔介质区域内流体流动及传热的理论基础

2．2．1 多孔介质区域内的流动过程

2．2．2 多孔介质区域内的传热过程

2．3 多孔介质与流体复合腔体内的自然对流及传热的理论分析

2．4 多孔介质与流体复合腔体内自然对流及传热的数学模型

2．4．1 基本假设

2．4．2 数学模型

2．5 求解数学模型的方法

2．5．1 求解方法的分类

2．5．2 控制方程离散及模拟计算方法

2．6 本章小结

第3章 多孔介质与流体复合腔体内流动及传热的数值模拟

3．1 基于X-CT实验的复合腔体内流动及传热的宏观模拟

3．2 多孔介质与流体复合腔体物理模型

3．3 多孔介质区域厚度对流动及传热的影响

3．4 瑞利数对流动及传热的影响

3．5 粘性应力跳跃系数的求解

3．5．1 不同多孔介质层厚度下的应力跳跃系数

3．5．2 不同瑞利数下的应力跳跃系数

3．5．3 不同多孔介质孔隙率下的应力跳跃系数

3．6 本章小结

第4章 基于格子Boltzmann方法的流体流动研究

4．1 格子Boltzmann方法及其研究进展

4．2 格子Boltzmann方法基本模型

4．3 基于格子Boltzmann方法的多孔介质流动模拟

4．3．1 多孔介质层厚度对流动的影响

4．3．2 瑞利数对流动的影响

4．4 本章小结

第5章 多孔介质与流体复合区域的实验研究

5．1 基于X-CT技术的多孔介质结构研究

5．1．1 X-CT技术概述

5．1．2 X-CT技术测试原理

5．1．3 X-CT系统组成和实验流程

5．1．4 多孔介质孔隙率的X-CT实验研究

5．1．5 X-CT实验结果的分析与处理

5．2 多孔介质与流体复合区域的PIV实验方案研究

5．2．1 PIV实验概述

5．2．2 PIV实验系统与流程

5．2．3 PIV实验方案改进与进展

5．3 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 存在的不足

6．3 课题展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况