本文關(guān)鍵詞：多孔介質(zhì)的分形描述及其流動(dòng)與傳熱特性研究

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【摘要】：多孔介質(zhì)流動(dòng)與傳熱在自然界以及過(guò)程工業(yè)中普遍存在,尤其在地下滲透、墻體保溫、相變蓄熱等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。然而,由于孔隙結(jié)構(gòu)的隨機(jī)性,多孔介質(zhì)內(nèi)的流動(dòng)與傳熱過(guò)程極其復(fù)雜。因此,研究多孔介質(zhì)的流動(dòng)和傳熱現(xiàn)象,不僅具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值,而且對(duì)探索微觀孔隙結(jié)構(gòu)中的流動(dòng)和傳熱機(jī)理也有著重要的科學(xué)意義。目前,多孔介質(zhì)的傳熱傳質(zhì)機(jī)理還未得到充分揭示,尤其是多孔介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)的隨機(jī)特征與多孔介質(zhì)流動(dòng)和傳熱特性之間的內(nèi)在聯(lián)系仍未明確。此外,考慮到多孔介質(zhì)隨機(jī)、統(tǒng)計(jì)自相似的結(jié)構(gòu)特性,亟需發(fā)展能夠真實(shí)反映實(shí)際多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)特性的幾何構(gòu)建模型。為此,本文基于分形布朗運(yùn)動(dòng)模型對(duì)多孔介質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量描述和幾何重建,分別建立了多孔介質(zhì)內(nèi)滲流、導(dǎo)熱、固液相變的理論模型并進(jìn)行了數(shù)值模擬,研究了多孔介質(zhì)的滲流特性、熱傳導(dǎo)和固液相變過(guò)程中的傳熱特性,分析討論了多孔介質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)、固體骨架和流體相的熱物性以及工況參數(shù)對(duì)多孔介質(zhì)流動(dòng)與傳熱特性的影響機(jī)理。同時(shí),開展了多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)固液相變傳熱特性研究的可視化實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了文本建立的多孔結(jié)構(gòu)固液相變理論模型的正確性�？偠灾�,本文的研究工作主要取得了以下結(jié)論：(1)建立了多孔介質(zhì)內(nèi)單相流動(dòng)滲流模型并進(jìn)行數(shù)值模擬,研究了孔隙率及分形維數(shù)對(duì)多孔介質(zhì)滲流特性的影響。研究結(jié)果表明：由于孔隙結(jié)構(gòu)的隨機(jī)性,多孔介質(zhì)內(nèi)的速度分布不均勻,且在孔道寬度劇變處易出現(xiàn)速度峰值。需要注意的是,當(dāng)雷諾數(shù)Re1后,達(dá)西定律不能準(zhǔn)確地描述多孔介質(zhì)的滲流特性。此外,多孔介質(zhì)的滲透率隨孔隙率單調(diào)遞增,且當(dāng)孔隙率ε0.6后,單調(diào)遞增趨勢(shì)更明顯。同時(shí),分形維數(shù)對(duì)多孔介質(zhì)的滲流特性也有著重要的影響,分形維數(shù)的增加,有效地強(qiáng)化了多孔介質(zhì)的滲流輸運(yùn)能力。(2)建立了多孔介質(zhì)的單相導(dǎo)熱模型并進(jìn)行數(shù)值模擬,研究了孔隙率、分形維數(shù)及固體骨架和流體相的導(dǎo)熱系數(shù)之比對(duì)多孔介質(zhì)導(dǎo)熱特性的影響。研究結(jié)果表明：多孔介質(zhì)固體基質(zhì)的彌散分布使得其內(nèi)部的溫度和熱流呈非均勻分布。此外,多孔介質(zhì)的有效導(dǎo)熱系數(shù)隨孔隙率單調(diào)遞減,且當(dāng)孔隙率ε0.6后,遞減趨勢(shì)逐漸平緩。同時(shí),分形維數(shù)與多孔介質(zhì)的有效導(dǎo)熱系數(shù)呈負(fù)相關(guān),分形維數(shù)的增加,在一定程度上削弱了多孔介質(zhì)的導(dǎo)熱能力。需要注意的是,多孔介質(zhì)的固相和流體相導(dǎo)熱系數(shù)之比對(duì)其有效導(dǎo)熱系數(shù)的影響有一定的限度,超過(guò)臨界值后,多孔介質(zhì)的有效導(dǎo)熱系數(shù)將基本保持不變。(3)建立了多孔介質(zhì)內(nèi)相變材料(PCM)融化和凝固過(guò)程的理論模型并進(jìn)行了數(shù)值模擬,研究了多孔介質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)及工況對(duì)相變傳熱特性的影響,并與純PCM進(jìn)行對(duì)比。研究結(jié)果表明：純PCM的固液相界面移動(dòng)緩慢,并且逐漸由直線演變成曲線；而多孔介質(zhì)內(nèi)則形成了一個(gè)整體上的模糊相界面和一個(gè)個(gè)局部相界面。同時(shí),多孔結(jié)構(gòu)固體骨架有效地改善了PCM融化過(guò)程中的傳熱特性,使得孔隙間PCM的溫度高于純PCM相同位置處的溫度,且整體溫度分布更為均勻。此外,多孔介質(zhì)內(nèi)PCM融化過(guò)程中的等效傳熱速率與初始溫差呈正相關(guān),初始溫差的增大,提高了融化過(guò)程中的溫度梯度,從而加快了融化的進(jìn)程。需要注意的是,多孔介質(zhì)的孔隙率與融化過(guò)程中的等效傳熱速率呈負(fù)相關(guān),卻與總蓄熱量呈正相關(guān)。因此,存在一個(gè)最優(yōu)孔隙率,使得該孔隙率下的多孔相變復(fù)合介質(zhì),不僅具有較高的蓄熱能力,而且其傳熱速率也不至于過(guò)慢。同時(shí),多孔介質(zhì)的分形維數(shù)對(duì)其相變傳熱特性也有著一定的影響,隨著分形維數(shù)的增大,多孔介質(zhì)內(nèi)PCM融化過(guò)程中的等效傳熱速率減小,減緩了其逼近最終熱平衡狀態(tài)的進(jìn)程。(4)搭建了多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)PCM融化和凝固過(guò)程研究的可視化實(shí)驗(yàn)平臺(tái),實(shí)時(shí)觀測(cè)了多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)PCM凝固和融化過(guò)程中相界面的演化；同時(shí),針對(duì)不同工況下多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)的動(dòng)態(tài)溫度特性進(jìn)行了同步監(jiān)測(cè),建立了多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)固液相變傳熱速率與初始溫差之間的內(nèi)在聯(lián)系。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明：相同工況下,多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)PCM融化和凝固過(guò)程中傳熱特性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果有很好的吻合。純PCM的固液相界面移動(dòng)緩慢,并且逐漸由直線演變成曲線；而多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)的PCM由于孔隙結(jié)構(gòu)的限制則形成了一個(gè)個(gè)獨(dú)立的固液相界面,并且其固液相界面的演化速率明顯加快。顯然,多孔結(jié)構(gòu)固體骨架有效地改善了PCM的傳熱特性,使得孔隙間PCM的溫度高于純PCM相同位置處的溫度,且各部分的溫度差異更小。此外,初始溫度差與多孔結(jié)構(gòu)區(qū)域的傳熱速率呈正相關(guān),隨著初始溫度差的增大,促進(jìn)了多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)PCM的融化和凝固進(jìn)程。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TK124

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 馬強(qiáng);陳俊;陳振乾;;分形多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)過(guò)程的格子Boltzmann模擬[J];化工學(xué)報(bào);2014年S1期

2 王波;寧正福;姬江;;多孔介質(zhì)模型的三維重構(gòu)方法[J];西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2012年04期

3 李瑞川;陳君若;劉顯茜;張賽;;分形多孔介質(zhì)滲流特性的研究[J];陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2011年06期

4 陳永平;楊迎春;施明恒;吳嘉峰;;分形樹狀通道換熱器內(nèi)的流動(dòng)換熱特性[J];航空學(xué)報(bào);2010年03期

5 張挺;盧德唐;李道倫;;基于二維圖像和多點(diǎn)統(tǒng)計(jì)方法的多孔介質(zhì)三維重構(gòu)研究[J];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào);2010年03期

6 李小川,施明恒,張東輝;非均勻多孔介質(zhì)中導(dǎo)熱過(guò)程[J];東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2005年05期

7 錢吉裕,李強(qiáng),宣益民,余凱;確定多孔介質(zhì)流動(dòng)參數(shù)的格子Boltzmann方法[J];工程熱物理學(xué)報(bào);2004年04期

8 施明恒,樊薈;多孔介質(zhì)導(dǎo)熱的分形模型[J];熱科學(xué)與技術(shù);2002年01期

9 李偉,祁海鷹,由長(zhǎng)福,徐旭常;蜂巢蓄熱體傳熱性能的數(shù)值研究[J];工程熱物理學(xué)報(bào);2001年05期

10 陳永平,施明恒;基于分形理論的多孔介質(zhì)滲透率的研究[J];清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2000年12期

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