【摘要】：隨著微納尺度流體流動與傳熱傳質研究的不斷深入,以微型固體能源動力系統(tǒng)為代表的微尺度氣粒兩相流動傳熱問題受到學者廣泛關注�，F(xiàn)有氣粒兩相流研究通常將微顆粒相處理為宏觀尺度顆粒,微尺度條件下氣-粒相間動量與能量非平衡效應未予充分考慮,微尺度效應對氣粒兩相流動傳熱特性影響規(guī)律尚不明晰�；谏鲜鲈�,本論文開展了以下三個方面的深入研究:1.滑移區(qū)非受限空間氣-粒流動傳熱研究�？紤]微尺度條件下氣體變物性/可壓縮效應,構建了滑移區(qū)氣-粒流動傳熱數(shù)值計算模型,顆粒表面采用速度滑移和溫度跳躍邊界條件刻畫氣-粒相界面處速度與溫度非連續(xù)特征。研究發(fā)現(xiàn),隨克努森數(shù)增大,顆粒表面速度滑移相應增大,顆粒周圍氣體低速區(qū)收縮,顆粒所受拖曳力減小;隨克努森數(shù)增大,顆粒表面溫度跳躍亦相應增大,溫度跳躍削弱氣-粒間傳熱,顆粒周圍高溫區(qū)域收縮,傳熱努謝爾特數(shù)減小。顆粒表面溫度上升導致氣體粘性增大,顆粒所受拖曳力增大;氣體導熱系數(shù)與溫度跳躍隨顆粒表面溫度上升而增大,傳熱努謝爾特數(shù)相應減小。研究同時表明,氣體變物性及可壓縮性效應在微尺度氣-粒間流動傳熱過程中不可忽略。在上述研究基礎上,提出了考慮微尺度效應以及顆粒表面溫度影響的氣-粒間流動傳熱準則方程。2.滑移區(qū)受限空間氣-粒流動傳熱研究。構建了微尺度受限空間內氣-粒流動傳熱三維數(shù)值計算模型,模型中將氣體考慮為可壓縮/變物性流體,顆粒表面以及微通道壁面均采用速度滑移和溫度跳躍邊界條件以考慮氣-固相交界處速度與溫度非連續(xù)性。研究表明,隨克努森數(shù)增大,顆粒表面拖曳力系數(shù)及傳熱努謝爾特數(shù)都相應減小;隨顆粒表面溫度上升,氣體粘性增大,顆粒表面拖曳力增大,而傳熱努謝爾特數(shù)隨之減小。相較非受限空間工況,發(fā)現(xiàn)當阻塞率大于1/8時,受限空間對氣-粒間傳熱過程強化作用已逐漸顯現(xiàn)。3.受限空間微尺度氣粒兩相流研究。在上述基礎上,構建了基于歐拉-拉格朗日方法的微尺度氣粒兩相流計算模型,對受限空間微尺度氣粒兩相流動與傳熱問題開展研究。發(fā)現(xiàn)顆粒表面微尺度效應對顆粒運動軌跡影響明顯,微顆粒運動過程明顯滯后于宏觀尺度顆粒。斯托克斯數(shù)較小時,顆粒能及時響應流場變化,可較好地跟隨流體運動;大斯托克斯數(shù)條件下,顆粒受自身慣性影響愈加明顯。研究同時發(fā)現(xiàn),熱泳力對微顆粒在受限空間中運動軌跡影響不可忽略,增加通道內部圓柱壁面溫度,可提高通道壁面對顆粒的捕獲效率。
【圖文】：

及能源領域都具有廣泛的運用。其中，微型固體能源動力系統(tǒng)以其運行可靠、操控靈活、便于復制，以及能滿足微納衛(wèi)星軌控與調姿雙重要求等一系列突出優(yōu)點，成為微納衛(wèi)星推進系統(tǒng)的重要發(fā)展方向[8, 9]。如圖 1-1 為基于美國宇航數(shù)字推進概念的 MEMS 微型固體能源系統(tǒng)[10]。采用典型的三明治結構，底層為集成點火電路，中間層為燃料貯存及燃燒室，頂層為微噴管，燃料在燃燒室燃燒后，產(chǎn)生的高溫高壓燃氣，經(jīng)微噴管排出產(chǎn)生動力。受限空間微尺度氣粒兩相流動也與人類日常生活息息相關，例如大氣中的微細顆粒物（PM2.5，PM10）會通過呼吸道進入人體內部，并在肺泡沉積，對人類身體健康造成損傷，如圖 1-2 所示[11]。目前針對微尺度氣-粒間流動傳熱的相關研究并不多見，已有研究中對微尺度效應、氣體可壓縮效應以及顆粒表面溫度等對氣-粒間流動傳熱過程的影響規(guī)律并未深入。而針對受限空間微尺度氣粒兩相流的研究，顆粒表面氣體稀薄效應對氣粒兩相流動傳熱影響規(guī)律目前尚無報道。因此，亟需開展微尺度條件下氣粒兩相流動與傳熱過程的深入系統(tǒng)研究。

a)flow rate=15 (lit/min) b) flow rate=30 (lit/min) c) flow rate=60 (lit/min)圖 1-2 呼吸道內顆粒沉積Fig.1-2 Particle deposition in human airways 國內外研究現(xiàn)狀1 微尺度氣體流動區(qū)域劃分在微尺度氣體流動中，當氣體流動特征尺寸與氣體分子平均自由程（Mean, MFV）相比不可忽略時，氣體連續(xù)性假設將不再成立，，氣-固相界面將與能量非平衡效應[12]。通常引入無量綱克努森數(shù)（Knudsen，Kn），以刻薄程度。Kn 數(shù)定義為氣體分子平均自由程 與氣體流動特征尺寸 L 的比 = 1-1)中 為氣體分子平均自由程，采用硬球模型可表達為： = 2 2，K 為 Boltzmann 常數(shù)（1.380662×10-23J/K），T、p、dm分別為氣體溫度
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TK124

【參考文獻】

相關期刊論文 前3條

1 王裴;孫海權;邵建立;秦承森;李欣竹;;微噴顆粒與氣體混合過程的數(shù)值模擬研究[J];物理學報;2012年23期

2 王聰;陳斌;郭烈錦;王智偉;;雙拉格朗日模型模擬氣固兩相雙圓柱繞流[J];西安交通大學學報;2009年01期

3 陶然,權曉波,徐建中;微尺度流動研究中的幾個問題[J];工程熱物理學報;2001年05期

本文編號：2668768