泡沫多孔材料中強制對流與高溫輻射的耦合傳熱研究.pdf

1、泡沫多孔材料具有三維的網(wǎng)絡(luò)骨架和相互連通的孔隙通道，孔隙尺寸小、比表面積大，增強了對流動的擾動，有效地強化了能量的傳遞，是優(yōu)良的熱交換媒介。掌握其內(nèi)部高溫耦合傳熱機理和特性規(guī)律，對太陽能高溫?zé)徂D(zhuǎn)換和高溫多孔強化傳熱技術(shù)的發(fā)展有重要意義?；诤暧^尺度研究方法，本文對泡沫多孔材料內(nèi)高溫輻射-對流耦合傳熱機理、數(shù)值計算方法和強制對流輸運特性進行了研究。
　　針對泡沫多孔材料內(nèi)高溫輻射-對流耦合傳熱模擬分析，采用蒙特卡羅法(MCM)、P1

2、近似和Rosseland擴散近似三種輻射傳輸求解方法對泡沫多孔材料自身熱輻射傳輸進行求解，編制了相應(yīng)的計算程序模塊，結(jié)合Fluent軟件，實現(xiàn)兼顧輻射效應(yīng)和流、固兩相局部非熱平衡(LTNE)傳熱的耦合傳熱分析。分別從輻射傳輸求解、LTNE對流換熱求解和高溫耦合換熱實驗對比三方面，驗證了計算方法和程序的可靠性，分析了P1近似和Rosseland擴散近似應(yīng)用于泡沫多孔材料內(nèi)耦合傳熱模擬的計算精度，結(jié)果表明采用P1近似可獲得可靠性較高的結(jié)果。

3、
　　溫度的測量是研究泡沫多孔材料內(nèi)傳熱特性的關(guān)鍵。針對高溫泡沫多孔材料內(nèi)部溫度的瞬態(tài)測量，建立了熱電偶溫度的動態(tài)響應(yīng)分析模型，基于耦合傳熱模擬方法，分析了熱電偶溫度的表征信息和變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)熱電偶溫度不能直接表征測點位置的流體和固體溫度。對紅外測溫方式，建立了測溫過程的輻射傳輸模型，采用反向蒙特卡羅法(BMCM)進行模擬，以半透明介質(zhì)層表面測溫為例，分析了半透明性對紅外測溫的影響。
　　設(shè)計搭建了管內(nèi)泡沫多孔材料的強制對流

4、換熱實驗裝置，實驗研究了銅、鎳和碳化硅三種泡沫多孔材料的壓降特性和容積對流換熱特性，比較分析了現(xiàn)有的12組壓降經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式與7組容積換熱系數(shù)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式，通過擬合實驗數(shù)據(jù)，給出了新的壓降和容積換熱系數(shù)預(yù)測關(guān)聯(lián)式，且關(guān)聯(lián)式與實驗數(shù)據(jù)的偏差均在±40％以內(nèi)。對碳化硅泡沫進行了高溫耦合換熱實驗，基于熱電偶溫度的修正，獲得了流、固兩相的溫度數(shù)據(jù)，并通過數(shù)值模擬比較發(fā)現(xiàn)，數(shù)值結(jié)果與實驗偏差小于25.2%。
　　采用實驗獲得的壓降與容積換熱系數(shù)關(guān)

5、聯(lián)式，在定壁溫和定熱流兩種邊界條件下，對管內(nèi)泡沫多孔材料的耦合傳熱進行模擬分析，考察了孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)和管壁發(fā)射率等參數(shù)對傳熱特性的影響?；谔柲軣徂D(zhuǎn)換系統(tǒng)的輻射傳輸模擬，獲得了泡沫多孔吸熱芯對聚集太陽能的容積吸收分布，實現(xiàn)了考慮聚集太陽能非均勻入射下泡沫多孔材料內(nèi)的耦合傳熱模擬分析，比較了對吸熱芯入口聚集太陽輻射能流的三種處理方式，發(fā)現(xiàn)采用邊界熱流處理方式的計算偏差較大(高達25.8%)；進一步分析了孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)梯度布置以及各層不同厚度