填充多孔介質(zhì)對平板通道內(nèi)流動換熱的影響和優(yōu)化分析.pdf

1、由于換熱設(shè)備在工業(yè)上的廣泛應用,提高換熱效率和研究新的強化傳熱技術(shù)越來越受到人們的廣泛關(guān)注。多孔介質(zhì)由于具有密度小、比表面積大、對流體強烈的摻混能力等優(yōu)點,利用多孔介質(zhì)強化傳熱作為新型的強化換熱手段之一,給強化傳熱領(lǐng)域帶來了新的機遇。對多孔介質(zhì)內(nèi)的對流換熱規(guī)律深入研究對我國能源利用及經(jīng)濟建設(shè)具有重要意義。本文對平行平板通道中填充多孔介質(zhì)的對流換熱規(guī)律進行數(shù)值模擬研究,通過研究其流動換熱規(guī)律,以期為工程應用提供參考。本文的主要研究內(nèi)容和結(jié)

2、論如下:
　　 (1)在恒熱流壁面條件下,采用局部熱平衡模型,對平板通道中完全填充多孔介質(zhì)的層流強制對流換熱進行數(shù)值模擬研究,首先比較了Brinkman-Darcy(BD)流動模型和Brinkman-Darcy-Forchheimer(BDF)流動模型求解得到的結(jié)果,表明當Re數(shù)較小時,BD模型和BDF模型求解得到的速度場有一定的差異,但是解得的溫度場差異不大;隨著Re數(shù)的增大,BD模型和BDF模型求解得到的速度場和溫度場差異都

3、逐漸增大。隨著Re數(shù)的增大,對流換熱得到強化,流動阻力系數(shù)f值逐漸增大,而綜合換熱效率γ值逐漸減小。隨著Da數(shù)的增大,對流換熱系數(shù)逐漸減小,流動阻力也逐漸減小,而綜合換熱效率γ卻呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。隨著孔隙率的增大,壁面平均Nu數(shù)逐漸減小,流動阻力逐漸降低,且降低的幅度遠大于壁面平均Nu數(shù)減小的幅度,因此,綜合換熱效率隨著孔隙率的增大而增大。
　　 (2)在恒熱流壁面條件下,分別采用BDF流動模型和局部熱平衡模型,對平板通道中

4、部分填充多孔介質(zhì)的層流強制對流換熱進行數(shù)值模擬研究。首先研究了多孔介質(zhì)填充位置對流動換熱的影響,結(jié)果表明當多孔介質(zhì)填充于通道核心區(qū)域時,對流換熱效果最好,且流動阻力增加不大,綜合換熱效率最高。隨著填充率的增大,通道壁面平均Nu數(shù)先增大后減小;流動阻力系數(shù)隨填充率的增大而急劇增大,綜合換熱效率逐漸減小,因此選擇合適的填充率是非常重要的。在平板通道中填充具有正弦波形的多孔介質(zhì),對流體的擾動能力更強,通道內(nèi)流體流動表現(xiàn)出高度的非線性性,強化了

5、通道內(nèi)流體質(zhì)點的換熱能力,但同時也增大了流體的流動阻力。隨著正弦波形波長的增大,多孔介質(zhì)對流體的擾動減弱,對流換熱強度隨之下降,流體的流動阻力減小;隨著正弦波形振幅的增大,多孔介質(zhì)對流體的擾動能力增強,流體質(zhì)點間的熱交換能力得到增強,對流換熱得到強化,但同時流動阻力增大,綜合換熱效率降低。
　　 (3)在恒熱流壁面條件下,分別采用BDF流動模型和局部熱平衡傳熱,對平板通道中填充多孔物塊的層流強制對流換熱進行數(shù)值模擬研究,重點分析

6、了多孔物塊的填充位置、填充形狀和等分多孔物塊對流動換熱的影響。研究結(jié)果表明添加多孔物塊后,很好地促進了壁面與流體間的對流換熱;將多孔物塊填充于通道的核心區(qū)域與壁面處相比,對流換熱更充分,流動阻力更小,且綜合換熱效率最高。將相同面積、不同形狀的多孔物塊填充于平板通道核心區(qū)域,多孔物塊在垂直于來流方向上的投影長度越長,對流換熱強度越高,但同時流動阻力也越大,因此在實際應用中需要在流動阻力和換熱能力之間做一個權(quán)衡。將多孔物塊等分后填充到平板通