多孔介质复合腔体内自然对流传热传质的研究

摘要

多孔介质与流体组成的复合区域内的自然对流传热传质普遍存在于自然现象、生命现象及诸多的生产领域中，其应用领域包括：干燥过程、太阳能集热管、建筑节能、电子元器件冷却以及地热利用等。因此多孔介质与流体组成的复合区域内流动和传热传质机理研究具有重要的意义。多孔介质与流体组成的复合区域内流动和传热传质机理比较复杂，研究相对较少。本文主要通过研究多孔介质复合腔体内自然对流传热传质规律，为工程实践提供必要的理论指导。
　　 当流场、温度场和浓度场共存时，就形成了一个多物理场。在多物理场中，流场、温度场和浓度场相互影响，存在交叉耦合效应。在多孔介质与流体交界面上存在应力滑移和热滑移，对腔体内的流动和传热有明显的影响。本文根据不可逆热力学原理，考虑交叉耦合扩散效应和交界面滑移效应，采用两区域模型，建立了多孔介质复合腔体内自然对流传热传质的非稳态数学模型，并采用有限元方法对数学模型进行数值求解。数值模拟了不同工况下多孔介质复合腔体内的流场、温度场和浓度场及其随时间的变化情况，揭示了多孔介质复合腔体内自然对流传热传质的规律，重点研究了多孔介质厚度d，达西数Da，浮升力比N，刘易斯数Le，瑞利数Ra，热附加扩散准则数STC，扩散附加热准则数DCT对腔体内稳态和非稳态自然对流传热传质的影响，分析了多孔介质与流体交界面应力滑移和热滑移对腔体内流场和温度场的影响。
　　 通过研究发现，1)多孔介质厚度d和达西数Da对传热传质强度有显著影响，较大的d能减弱传热传质强度，延长达到稳态的时间，较小的Da能明显削弱传质强度；2)浮升力N决定流动方向，当N=-1时，传热传质强度最弱，达到稳态所需时间最长，瑞利数Ra决定自然对流强度大小，不同Ra，流场、温度场和浓度场随时间变化过程不同，刘易斯数Le决定热扩散和质扩散强度以及传播速度的相对大小；3)不同时刻，交叉耦合扩散效应对传热传质的影响规律明显不同；4)不同交界面应力滑移条件下，交界面区域1/2高度处的速度曲线存在差异，交界面应力滑移系数β1和β2对交界面区域流场影响较明显，对温度场影响很小；5)滑移系数β3对温度场和流场有一定的影响。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 多孔介质复合腔体内交叉耦合扩散效应的研究进展

1.3 多孔介质与流体交界面滑移效应的研究进展

1.4 非接触测量技术的发展

1.5 本文研究的主要内容

第2章 多孔介质复合腔体内自然对流传热传质机理及瞬态数学模型

2.1 概述

2.2 交叉耦合扩散的热质传递机理

2.3 多孔介质流动与传热传质理论基础

2.3.1 饱和多孔介质内的流动过程

2.3.2 饱和多孔介质内的传热传质过程

2.4 瞬态自然对流传热传质的数学模型

2.4.1 物理模型

2.4.2 基本假设

2.4.3 数学模型

2.4.4 数学模型的无量纲化

2.5 数学模型求解

2.5.1 解析解

2.5.2 数值解

2.5.3 计算区域和控制方程的离散化方法

2.6 计算方法的检验

第3章 多孔介质复合腔体内自然对流传热传质的数值模拟

3.1 概述

3.2 多孔介质参数对自然对流传热传质的影响

3.2.1 多孔介质厚度d的影响

3.2.2 达西数Da的影响

3.3 双扩散参数对自然对流传热传质的影响

3.3.1 浮升力比N的影响

3.3.2 瑞利数Ra的影响

3.3.3 刘易斯数Le的影响

3.4 交叉耦合扩散效应对自然对流传热传质的影响

3.4.1 热附加扩散效应的影响

3.4.2 扩散附加热效应的影响

3.5 本章小结

第4章 多孔介质与流体交界面滑移效应对腔体内流动和传热特性的影响

4.1 概述

4.2 多孔介质与流体交界面特性

4.3 交界面应力滑移对流动和传热传质的影响

4.3.1 不同交界面应力滑移条件下流动特性对比

4.3.2 不同交界面应力滑移条件下温度特性对比

4.3.3 不同交界面应力滑移条件下孔隙率对流场和温度场的影响

4.3.4 第一应力滑移系数β1对流场和温度场的影响

4.3.5 第二应力滑移系数β2对流场和温度场的影响

4.4 交界面热滑移对流动和传热的影响

4.4.1 热滑移系数β3对温度场的影响

4.4.2 热滑移系数β3对平均Nu的影响

4.4.3 热滑移系数β3对流场的影响

4.5 多孔介质复合腔体内自然对流PLIF实验方案

4.5.1 概述

4.5.2 实验目的

4.5.3 PLIF的原理

4.5.4 实验系统

4.5.5 实验步骤

4.6 小结

第5章 结论与展望

5.1 主要结论

5.2 存在的不足与展望

参考文献

符号表

致谢

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况