差热式人工上升流的实验研究和数值模拟

摘要

差热式人工上升流技术是利用人工的手段加热深水层产生局部高温区，流体内的温度梯度会形成密度梯度，一般来说其表现形式是流体温度升高，其密度将会变低，因此局部高温区的水团受到浮力的作用而上升，从而产生上升流。该技术在改善海洋环境、修复渔业生态环境等方面具有重大意义。目前该技术领域理论空白较多，本文通过实验和计算流体力学的方法对差热式人工上升流流场的基本特性展开了较为系统的研究。
　　在现有实验条件的基础上针对开式环境下差热式人工上升流初始状态的研究提出了具体的实验方案，详细的介绍了实验平台以及实验原理；基于差热式人工上升流的原理以及差热式人工上升流初始状态的速度场特性的研究需要，人为的定义了初始上升流的形成界限，通过 P IV测量系统研究不同时刻下初始上升流的速度场特性，较为全面的分析小功率热源加热的工况下初始上升流产生及其发展的完整过程，推测出：高速水团是初始上升流的产生的基础，其发展是通过许多高速水团不断堆积。
　　基于实验系统建立开式环境下差热式人工上升流数值模拟的几何模型，针对差热式人工上升流的特点进行了网格划分。参考前人所做的实验研究，对数值模拟参数进行设定，包括模型的选择、材料的设置、设定边界条件以及求解控制参数。之后将数值模拟数据跟实验数据作出对比分析，证明了数值模型的可靠性。利用 Fluent对差热式人工上升流开展数值模拟，探讨不同参数对上升流特征因子（上升流特征速度、上升流有效横截面积和上升流流量）的影响规律。
　　设计闭式环境下差热式人工上升流的几何模型，根据流场特点对不同管径的模型进行网格划分。利用验证过的数学模型对不同工况的闭式环境下差热式人工上升流进行数值仿真，通过模拟的手段考察不同初始水温、不同加热功率以及不同管道管径对上升流流场的上升特征速度以及流量的影响规律。初步探索闭式环境下整个上升流的形态特征与流动特性，研究表明：受垂直管管壁的约束，上升流的流束主要集中在垂直管内的空间里；上升流的流动按上升特征速度的变化特性分为三个区，随高度增加分别为增速区、减速区和稳定区；与开式环境下差热式人工上升流相同，加热功率和初始环境温度的增加对管道内上升流的提升是有益的，在一定大小范围内管径的增加，能提高上升流所提升的流量。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 人工上升流技术的研究现状

1.3 本文的研究内容

第二章 实验系统

2.1 实验方案介绍

2.2 差热式人工上升流模拟实验平台

2.3 PIV测试系统

2.4 本章小结

第三章 差热式人工上升流的实验研究

3.1 初始上升流的形成

3.2 实验设置

3.3 初始上升流实验结果及其讨论

3.4 本章小结

第四章 开式环境下差热式人工上升流的数值模拟

4.1 计算流体力学概述

4.2 网格的生成

4.3 数值模拟参数设置

4.4 数值模拟结果和实验结果的对比

4.5 开式环境下差热式人工上升流数值模拟结果分析

4.6 本章小结

第五章 闭式环境下差热式人工上升流的数值模拟

5.1 网格的生成

5.2 数值模拟参数设置

5.3 闭式环境下差热式人工上升流数值模拟结果分析

5.4 海洋环境下垂直管温差液体提升的数值模拟

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 不足与展望

致谢

参考文献

附录