部分填充多孔介質(zhì)復(fù)合腔體內(nèi)流體流動及傳熱傳質(zhì)的研究.pdf

1、多孔介質(zhì)中的流體流動及傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象遍及于自然界和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，其中由多孔介質(zhì)與流體組成的復(fù)合區(qū)域問題具有廣泛的應(yīng)用背景，例如，干燥過程、凝固過程、高性能保溫建筑、熱管、太陽能集熱器、地?zé)峁こ?、核能利用和原油提取等。盡管近半個世紀(jì)以來，國內(nèi)外學(xué)者對多孔介質(zhì)腔體和純流體腔體鹵流體流動和傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象展開了深入的探討和研究，但是，對多孔介質(zhì)與流體組成的復(fù)合腔體的研究相對較少。而在工程實際中，涉及到多孔介質(zhì)與流體組成的復(fù)合腔體的問題比較多

2、，因此，多孔介質(zhì)與流體組成的復(fù)合腔體內(nèi)流體流動和傳熱傳質(zhì)機理的研究還需要更多的關(guān)注，以便為指導(dǎo)工程實際提供相應(yīng)的理論依據(jù)。
　　 部分填充多孔介質(zhì)復(fù)合腔體內(nèi)溫度梯度、濃度梯度及多孔介質(zhì)區(qū)域都對腔體內(nèi)的流體流動及傳熱傳質(zhì)有顯著影響，而以往的研究大部分局限于一種因素。本文采用理論分析、數(shù)值模擬和實驗研究相結(jié)合的方法，探討多孔介質(zhì)區(qū)域與流體空間交界面應(yīng)力滑移條件的影響，重點討論溫度梯度、濃度梯度共存時，復(fù)合腔體內(nèi)流體流動及傳熱傳質(zhì)的規(guī)

3、律?？紤]多浮升力、多孔介質(zhì)區(qū)域及交界面應(yīng)力滑移條件的基礎(chǔ)上，建立了復(fù)合腔體雙擴散自然對流的兩區(qū)域模型，并采用有限元理論輔以交界面弱約束條件對無量綱控制方程進行離散和求解。
　　 在溫度場與濃度場共存的情況下，對不同工況進行模擬計算和分析，得出了復(fù)合腔體雙擴散自然對流的基本規(guī)律，展示了流場、溫度場、濃度場隨多孔介質(zhì)層厚度d、瑞利數(shù)Ra、浮力比數(shù)N、劉易斯數(shù)Le、達西數(shù)Da、交界面應(yīng)力滑移系數(shù)β1和β2等特征參數(shù)的變化情況，探討了這

4、些特征參數(shù)對壁面?zhèn)鳠醾髻|(zhì)系數(shù)的影響規(guī)律。
　　 通過對復(fù)合腔體內(nèi)壁面熱質(zhì)傳遞的研究，發(fā)現(xiàn)Da數(shù)對傳熱傳質(zhì)有重要的影響，較小的Da數(shù)對熱質(zhì)擴散有顯著的阻礙作用；浮力比數(shù)N對流動特征有顯著的影響，主導(dǎo)著溫度場和濃度場的分布特征，直接影響傳熱傳質(zhì)；交界面應(yīng)力滑移系數(shù)β1和β2對交界面附近的速度有很大的影響，對整場速度分布影響不大，對溫度場和濃度場分布影響較小。
　　 在理論分析和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，搭建了復(fù)合腔體流動實驗臺，在水

5、平方向上施加溫度梯度使腔體內(nèi)形成自然對流，采用二維粒子圖像測速PIV技術(shù)對不同Ra數(shù)下的流場進行了測試。測試結(jié)果表明：腔體內(nèi)的流動隨Ra數(shù)的增大而逐漸劇烈，而多孔介質(zhì)的存在對腔體內(nèi)的流場有非常大的影響。比較實驗實測流場與數(shù)值模擬結(jié)果，二者吻合較好。
　　 部分填充多孔介質(zhì)復(fù)合腔體內(nèi)雙擴散自然對流的影響因素眾多，規(guī)律較為復(fù)雜，本文重點研究了多孔介質(zhì)參數(shù)(多孔介質(zhì)層厚度d、達西數(shù)Da、孔隙率ε)、雙擴散參數(shù)(瑞利數(shù)Ra、浮力比數(shù)N、