發(fā)布時間：2020-08-18 15:25

【摘要】：本文分析研究了分層填充和部分填充多孔介質(zhì)圓管中強迫對流的流動與傳熱問題。在圓管的外壁面施加恒定熱流,并假設(shè)管內(nèi)流體流動與換熱均處于充分發(fā)展階段。分別采用Darcy-Brinkman模型和局部非熱平衡模型建立管內(nèi)流動與換熱的控制方程。在對分層填充多孔介質(zhì)圓管的研究中,求解得到了分層填充多孔介質(zhì)圓管內(nèi)速度場和溫度分布的解析解,并在極限情況下(令每層多孔介質(zhì)的參數(shù)對應(yīng)相等)與已有文獻中求得的完全填充單層相應(yīng)多孔介質(zhì)圓管的解進行對比驗證。為研究分層填充多孔介質(zhì)圓管中的強化換熱性能和管內(nèi)流動與傳熱過程中的不可逆性,進一步推導(dǎo)得到了管內(nèi)努塞爾數(shù)、管內(nèi)局部熵產(chǎn)率和管內(nèi)總熵產(chǎn)率的解析式。在此基礎(chǔ)上,著重分析了達西數(shù)、有效導(dǎo)熱系數(shù)等相關(guān)參數(shù)對分層填充多孔介質(zhì)圓管強化換熱性能和管內(nèi)不可逆性的影響,并與完全填充單層相應(yīng)多孔介質(zhì)圓管進行對比。結(jié)果表明:選取合適的分層填充參數(shù),分層填充多孔介質(zhì)圓管的強化換熱性能要顯著優(yōu)于完全填充單層相應(yīng)多孔介質(zhì)的圓管,且管內(nèi)總熵產(chǎn)小于完全填充單層相應(yīng)多孔介質(zhì)的圓管。在對部分填充多孔介質(zhì)圓管的研究中,在交界面處采用應(yīng)力跳躍邊界條件,求解得到了核心區(qū)域部分填充多孔介質(zhì)圓管內(nèi)速度場、溫度場和管內(nèi)摩擦因子、管內(nèi)努塞爾數(shù)、管內(nèi)局部熵產(chǎn)率和管內(nèi)總熵產(chǎn)率的解析解。研究中給出了部分填充多孔介質(zhì)圓管中熵產(chǎn)的解析解,填補了此前研究的空白。重點討論了應(yīng)力跳躍系數(shù)等相關(guān)參數(shù)對管內(nèi)綜合換熱性能(PEC)和不可逆性的影響。結(jié)果表明:選取合適的部分填充參數(shù),在管內(nèi)核心區(qū)域部分填充多孔介質(zhì)能顯著增強管道換熱性能而不會引起太大的流動阻力。此外,隨無量綱填充比的變化,核心區(qū)域部分填充多孔介質(zhì)圓管中努塞爾數(shù)和總熵產(chǎn)率分別存在最大值和最小值,而且使努塞爾數(shù)和總熵產(chǎn)率分別取到最大值和最小值的無量綱填充比隨達西數(shù)等參數(shù)的變化而取不同的值。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TK124
【圖文】：

填充雙層多孔介質(zhì)管道內(nèi)強化換熱與熵產(chǎn)研模型 所示為填充雙層多孔介質(zhì)圓管通道的幾何模型示意圖。在圓管 2）和核心區(qū)域（區(qū)域 1）分別填充孔隙率、滲透率和有效導(dǎo)孔介質(zhì)。區(qū)域 1 半徑為 r1，圓管通道半徑為 r2。采用恒定熱流向流經(jīng)圓管通道，自管壁帶走熱量。求解的過程中，做如下假設(shè)：每層多孔材料均勻且各項同性；流體的流動為穩(wěn)態(tài)且不可壓縮；通道中的流動和傳熱均為充分發(fā)展階段；所有的熱物性參數(shù)均為常數(shù)，不隨溫度變化而變化；忽略自然對流、輻射換熱以及熱擴散的影響。

((2.4 結(jié)果與討論2.4.1 解析解的驗證為了對推導(dǎo)結(jié)果進行驗證，本文令兩層多孔介質(zhì)的物性參數(shù)對應(yīng)相等，則填充多孔介質(zhì)的圓管通道等效為完全填充單層多孔介質(zhì)的圓管通道。將該情況文求得的解與 Lu 等[39]推導(dǎo)的完全填充單層多孔圓管通道的解進行比對，圖 2 表本文所得結(jié)果與 Lu 等[39]推導(dǎo)的解析解完全一致。 21 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 310 1 1 1 1 1 12 22 21 1 1 1 1 11 1 122 623 1 2 1 4 1 2 1 2 12 22 2 4 1 2 2 222 2 1 23 1 2 1 4 1 2 12 22 22 ( ) 2( )( )2( ) ( )( )2(( ) ( )ss ssss C I s R k tk t I t R ww C I s R Da Rs t k k s t sk kk wtC I s R C K s R Da Rk k w R s s tsk t I t RC I s R C K s Rs t 1 12 2 0 2)( )swk k I t 3 0 2 4 0 2211222 ( ) ( )2DaC I s C K sws

質(zhì)達西數(shù)不同，對流體的滲透能力不同導(dǎo)致的。從圖中還可以看出流體流速的總是出現(xiàn)在達西數(shù)較大的區(qū)域。這是因為達西數(shù)越大，多孔介質(zhì)對流體的滲透越好。因此，大部分流體會以較高的速度流經(jīng)達西數(shù)較大的區(qū)域，而只有一小流體以較低的速度流過另一區(qū)域。圖 2.3（b）給出了核心區(qū)域填充達西數(shù)較小的多孔介質(zhì)時填充比對多孔圓道內(nèi)速度分布的影響。圖中，R1=0 和 R1=1 兩條曲線表示的是填充單層多孔介圓管通道，剩下的曲線表示填充雙層多孔介質(zhì)的圓管通道。從圖中可以看出，填充雙層多孔介質(zhì)時，達西數(shù)大的區(qū)域內(nèi)流體的流速大于填充單層多孔介質(zhì)管流體的流速，達西數(shù)小的區(qū)域內(nèi)流體的流速小于填充單層多孔介質(zhì)管道內(nèi)流體速。從圖中還可以看出，當核心區(qū)域填充達西數(shù)小的多孔介質(zhì)時，隨著填充比大，流體流速的峰值增大，并且峰值出現(xiàn)的位置向壁面移動。上述現(xiàn)象說明與填充單層多孔介質(zhì)的管道相比，填充雙層多孔介質(zhì)的管道過改變所填充多孔介質(zhì)的相關(guān)參數(shù)，進而改變管內(nèi)流體的流量分布。

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 楊昆;劉偉;;管內(nèi)層流充分發(fā)展段等效熱邊界層的構(gòu)造及其場協(xié)同分析[J];工程熱物理學報;2007年02期

本文編號：2796393