基于格子-Boltzmann方法的固液相變界面特性研究.pdf

1、多孔介質(zhì)內(nèi)固液相變問題廣泛存在于自然界和眾多工業(yè)領(lǐng)域。固液相變材料作為一種被廣泛應(yīng)用的儲(chǔ)能材料，在實(shí)際應(yīng)用中往往不是單一組分的物質(zhì)，相變發(fā)生時(shí)的溫度并非在某一恒定值，而是在一個(gè)區(qū)間范圍內(nèi)，此時(shí)存在一個(gè)固相和液相共存的區(qū)域——糊狀區(qū)。糊狀區(qū)的存在及其特性對(duì)相變過程有著重要的影響。研究固液相變的流動(dòng)和熱質(zhì)交換規(guī)律，探討固液相變界面（糊狀區(qū)）的發(fā)展、遷移及熱質(zhì)傳遞特性規(guī)律有著重要的意義。
　　本文基于對(duì)糊狀區(qū)的物理特性分析，提出一種描述

2、糊狀區(qū)流動(dòng)特征的“多相流-多孔介質(zhì)”兩區(qū)域模型，即將糊狀區(qū)中靠近固相表面的低液相率區(qū)域采用Brinkmann-Forchheimer-Darcy多孔介質(zhì)滲流模型；靠近液相的高液相率區(qū)域采用多相流模型。為獲得考慮多孔骨架條件下，骨架對(duì)固液相變的整場(chǎng)和局部流動(dòng)換熱特性以及對(duì)糊狀區(qū)影響的規(guī)律，本文基于焓法分別建立了多孔骨架內(nèi)固液相變的表征元（REV）尺度和孔隙尺度的數(shù)學(xué)模型。在數(shù)學(xué)模型的求解方面，采用格子-Boltzmann方法（LBM），通

3、過選擇適當(dāng)?shù)碾x散速度模型、平衡態(tài)分布函數(shù)及源項(xiàng)，分別建立了研究固液相變糊狀區(qū)的REV尺度和孔隙尺度下的LBM模型。并通過一系列的數(shù)值實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型或方法應(yīng)用的有效性及正確性。
　　本文以方腔內(nèi)固液相變過程為研究對(duì)象，首先模擬研究了無多孔骨架的固液相變過程，重點(diǎn)關(guān)注糊狀區(qū)的特性，分析了無量綱參數(shù)（普朗特?cái)?shù)Pr、瑞利數(shù)Ra，斯蒂芬數(shù)Ste）對(duì)糊狀區(qū)發(fā)展、遷移及其內(nèi)部的流動(dòng)和傳熱的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：1)糊狀區(qū)的厚度與相變溫度半徑T

4、R直接相關(guān)，TR越小，糊狀區(qū)厚度越??；2)糊狀區(qū)常數(shù)C及高、低液相率區(qū)的分界點(diǎn)γtr的選取與相變材料的物性及糊狀區(qū)內(nèi)部構(gòu)造有著密切的關(guān)系；3)相變材料的無量綱物性參數(shù)（Prandtl數(shù)Pr、Rayleigh數(shù)Ra、Stefan數(shù)Ste）對(duì)糊狀區(qū)和相變過程有著明顯的影響；低Pr數(shù)條件下，相變前期會(huì)產(chǎn)生多渦結(jié)構(gòu)，會(huì)影響糊狀區(qū)的形狀和遷移；Ra數(shù)的大小影響著液相區(qū)和糊狀區(qū)的自然對(duì)流強(qiáng)度，同時(shí)影響著糊狀區(qū)的形狀及內(nèi)部的換熱流動(dòng)， Ra數(shù)的增大，

5、融化速率隨之增大，糊狀區(qū)減薄，對(duì)應(yīng)熱壁面的換熱能力增強(qiáng)；Ste影響融化速率的快慢， Ste越大，糊狀區(qū)厚度增大，其下部區(qū)域的速度隨之增大，在整個(gè)相變過程中系統(tǒng)的蓄熱量隨Ste數(shù)增大而減小。
　　以上述為基礎(chǔ)，本文進(jìn)一步模擬分析了考慮多孔骨架時(shí)骨架對(duì)固液相變過程的影響。基于REV尺度分析了骨架對(duì)相變過程中糊狀區(qū)及整場(chǎng)流動(dòng)換熱的影響，研究表明:1)骨架的達(dá)西數(shù)Da的增大或孔隙率ε的減小，相應(yīng)液相區(qū)和糊狀區(qū)的流動(dòng)效應(yīng)越明顯，糊狀區(qū)的厚度

6、越薄，其形狀則越彎曲，孔隙率ε增大一方面降低了系統(tǒng)的換熱能力，另一方面相變材料體積的增加，可以增大系統(tǒng)的蓄熱量；2)骨架的添加并不一定對(duì)相變過程起促進(jìn)作用，其他條件相同時(shí)，骨架的導(dǎo)熱能力越強(qiáng)，糊狀區(qū)的邊界彎曲度越小，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段未融化的體積越大?；诳紫冻叨认卵芯苛斯羌軐?duì)相變過程中流動(dòng)換熱的局部細(xì)節(jié)的影響規(guī)律，研究顯示：1)在相變過程中，由于糊狀區(qū)邊界和骨架的影響，在局部會(huì)產(chǎn)生渦流；2)孔隙尺度下骨架孔隙率ε對(duì)相變過程及糊狀區(qū)的影響與RE