本文關(guān)鍵詞：細小圓管內(nèi)相變微膠囊懸浮液對流傳熱特性數(shù)值模擬研究

  更多相關(guān)文章： 相變微膠囊顆粒 恒定熱流密度 離散相模型 離散單元法 數(shù)值模擬

【摘要】：國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展加劇了資源的消耗,致使能源逐漸匱乏,故提高能源的利用效率已成為當務(wù)之急,尋找一種新穎的儲能/輸運介質(zhì)顯得愈發(fā)重要。相變微膠囊懸浮液因儲能密度高、表觀比熱大、減少傳熱介質(zhì)的需求量以及降低泵功消耗等諸多特點,具有廣泛的應(yīng)用前景。論文對相關(guān)文獻資料進行了研究回顧,獲得相變微膠囊(MEPCM)顆粒相變過程的數(shù)學表達式,基于CFD-DPM模型,全面考慮MEPCM所受重力和Saffman升力以及MEPCM-流體、MEPCM-壁面間的相互作用,采用紊流雙向耦合模型,對相變微膠囊懸浮液在細小圓管內(nèi)對流傳熱特性進行數(shù)值模擬研究。構(gòu)建CFD-DEM耦合框架,對細小圓管內(nèi)顆粒未發(fā)生相變時的液固兩相流對流傳熱特性進行數(shù)值模擬。(1)CFD-DPM模擬結(jié)果顯示,管內(nèi)相變微膠囊懸浮液溫度分布呈現(xiàn)三個主要區(qū)域:未融化區(qū)域(RegionⅠ)、融化區(qū)域(RegionⅡ)和完全融化區(qū)域(RegionⅢ);相同條件下,純水、無相變懸浮液和相變微膠囊懸浮液三種工況對應(yīng)的流體出口溫度及壁面溫度均依次降低;沿管流方向,無相變懸浮液溫度分布云圖從規(guī)則的拋物線逐漸演變成更加凸出的曲線,相變微膠囊懸浮液溫度分布云圖則呈現(xiàn)具有尖峰的曲線。(2)隨著MEPCM質(zhì)量分數(shù)增加,相變微膠囊懸浮液流動壓降增大,通過擬合得到了相變微膠囊懸浮液有效黏度與質(zhì)量分數(shù)的關(guān)聯(lián)式,與Vand黏度關(guān)聯(lián)式預(yù)測值相吻合;主流區(qū)域的流體速度增大,近壁區(qū)域的流體速度減小;流體及壁面溫度下降的幅度增大,對應(yīng)的強化傳熱能力增強;同時,融化區(qū)域變長并不斷向出口方向延伸;近壁區(qū)域的MEPCM顆粒最為密集,而主流區(qū)域濃度則相對較低,反映出紊流下顆粒相的非均勻分布特征。(3)入口流速和MEPCM顆粒生成總量相同的條件下,隨著MEPCM粒徑的增加,管內(nèi)紊流流動壓降升高;主流區(qū)域的流體速度隨之變大,近壁區(qū)域的流體速度則相反;流體及壁面溫度更低于純水,對應(yīng)的強化傳熱能力增強;同時,融化區(qū)域變長并不斷向出口方向延伸;通過比較MEPCM粒徑呈現(xiàn)Rosin-Rammler分布與單一粒徑分布兩種情況,發(fā)現(xiàn)流體及壁面溫度沿管流方向的變化趨勢保持良好的一致性,進一步證明了采用單一粒徑模擬細小圓管內(nèi)相變微膠囊懸浮液對流傳熱特性的結(jié)果具有較強的可靠性。(4)隨著壁面熱流密度增加,流體出口溫度與壁面溫度升高;近壁區(qū)域和主流區(qū)域的MEPCM融化的起始點與終止點越靠近入口方向,對應(yīng)的相變?nèi)诨瘏^(qū)域越短;對于熱流密度較小時,相變?nèi)诨瘏^(qū)域則相對變長。(5)CFD-DEM模擬結(jié)果顯示,隨著顆粒質(zhì)量分數(shù)的增加,管道內(nèi)顆粒的分布愈加密集;管道主流區(qū)域的顆粒速度較快,近壁區(qū)域的顆粒速度緩慢,因此顆粒在管道內(nèi)的空間運動分布呈拋物面形態(tài);沿管流方向單位長度壓降增大,與CFD-DPM模擬結(jié)果一致。管道內(nèi)顆粒溫度呈現(xiàn)出與流體溫度相似的拋物面分布,隨著顆粒質(zhì)量分數(shù)增加,相同溫度分布的拋物面逐漸向出口方向移動;顆粒的擾動加快了流體的相互參混,使得流體與顆粒之間的溫差逐漸縮小,強化了流體與顆粒之間的對流傳熱,這一現(xiàn)象隨著質(zhì)量分數(shù)的增加愈加明顯。
【關(guān)鍵詞】：相變微膠囊顆粒 恒定熱流密度 離散相模型 離散單元法 數(shù)值模擬
【學位授予單位】：安徽工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TK124
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-9
• 主要符號表9-13
• 第一章 緒論13-28
• 1.1 研究背景及意義13-14
• 1.1.1 研究背景13-14
• 1.1.2 研究意義14
• 1.2 相變微膠囊14-19
• 1.2.1 相變材料14-15
• 1.2.2 相變微膠囊及其制備15-17
• 1.2.3 相變微膠囊的主要應(yīng)用領(lǐng)域17-19
• 1.2.4 相變微膠囊懸浮液及其應(yīng)用19
• 1.3 本課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀19-26
• 1.3.1 實驗測定20-22
• 1.3.2 數(shù)值模擬22-26
• 1.4 本課題研究內(nèi)容、目的及技術(shù)路線26
• 1.4.1 研究內(nèi)容及目的26
• 1.4.2 技術(shù)路線26
• 1.5 創(chuàng)新點26-28
• 第二章 相變微膠囊懸浮液對流傳熱特性數(shù)值計算理論基礎(chǔ)28-42
• 2.1 相變微膠囊顆粒及其懸浮液熱物性參數(shù)28-31
• 2.1.1 密度28-29
• 2.1.2 黏度29
• 2.1.3 導熱系數(shù)29
• 2.1.4 比熱容29-31
• 2.2 相變微膠囊懸浮液強化傳熱機理31-33
• 2.2.1 相變微膠囊懸浮液與單相傳熱流體區(qū)別31
• 2.2.2 相變過程對懸浮液強化傳熱影響機理31-32
• 2.2.3 有效導熱系數(shù)增大對懸浮液強化傳熱影響機理32
• 2.2.4 相變微膠囊懸浮液強化傳熱物理機制32-33
• 2.3 CFD-DPM數(shù)學模型33-37
• 2.3.1 液相控制方程34
• 2.3.2 顆粒運動方程34-35
• 2.3.3 流體與顆粒相間作用力35-36
• 2.3.4 連續(xù)相與離散相雙向耦合36-37
• 2.4 CFD-DEM數(shù)學模型37-41
• 2.4.1 流體相控制方程37
• 2.4.2 顆粒相控制方程37-38
• 2.4.3 顆粒間接觸模型38-40
• 2.4.4 連續(xù)相與離散相雙向耦合40-41
• 2.5 本章小結(jié)41-42
• 第三章 模型有效性及相變強化傳熱研究42-51
• 3.1 計算模型42-44
• 3.1.1 物理模型42
• 3.1.2 數(shù)學模型42-43
• 3.1.3 定解條件43-44
• 3.1.4 數(shù)值求解44
• 3.2 模型有效性驗證44-46
• 3.3 模擬結(jié)果與討論46-50
• 3.3.1 兩種懸浮液溫度與壁面溫度變化規(guī)律比較46-48
• 3.3.2 兩種懸浮液強化傳熱能力比較48
• 3.3.3 兩種懸浮液與純水的溫度分布比較48-50
• 3.4 本章小結(jié)50-51
• 第四章 基于CFD-DPM相變微膠囊懸浮液流動及傳熱特性模擬51-73
• 4.1 計算模型51
• 4.2 模擬結(jié)果與討論51-71
• 4.2.1 相變微膠囊質(zhì)量分數(shù)51-58
• 4.2.2 相變微膠囊顆粒粒徑58-64
• 4.2.3 相變微膠囊顆粒Rosin-Rammler分布64-67
• 4.2.4 壁面熱流密度67-71
• 4.3 本章小結(jié)71-73
• 第五章 基于CFD-DEM無相變液固兩相流對流傳熱特性模擬73-84
• 5.1 CFD-DEM耦合理論73-76
• 5.1.1 CFD-DEM曳力模型73-75
• 5.1.2 對流傳熱模型75
• 5.1.3 輻射傳熱模型75-76
• 5.2 計算模型76-77
• 5.2.1 物理模型76
• 5.2.2 數(shù)學模型76-77
• 5.2.3 定解條件77
• 5.2.4 數(shù)值求解77
• 5.3 模擬結(jié)果與討論77-83
• 5.3.1 管內(nèi)的顆�？臻g分布形態(tài)77-78
• 5.3.2 管內(nèi)的三維顆粒速度變化78-80
• 5.3.3 管內(nèi)的三維顆粒溫度變化80-81
• 5.3.4 顆粒質(zhì)量分數(shù)對流體強化傳熱的影響81-83
• 5.4 本章小結(jié)83-84
• 第六章 結(jié)論與展望84-86
• 6.1 結(jié)論84-85
• 6.2 展望85-86
• 參考文獻86-92
• 攻讀碩士期間主要成果92-93
• 致謝93

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