【摘要】：本文分析研究了分層填充和部分填充多孔介質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,并假設管內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流動與換熱的控制方程。在對分層填充多孔介質圓管的研究中,求解得到了分層填充多孔介質圓管內速度場和溫度分布的解析解,并在極限情況下(令每層多孔介質的參數(shù)對應相等)與已有文獻中求得的完全填充單層相應多孔介質圓管的解進行對比驗證。為研究分層填充多孔介質圓管中的強化換熱性能和管內流動與傳熱過程中的不可逆性,進一步推導得到了管內努塞爾數(shù)、管內局部熵產率和管內總熵產率的解析式。在此基礎上,著重分析了達西數(shù)、有效導熱系數(shù)等相關參數(shù)對分層填充多孔介質圓管強化換熱性能和管內不可逆性的影響,并與完全填充單層相應多孔介質圓管進行對比。結果表明:選取合適的分層填充參數(shù),分層填充多孔介質圓管的強化換熱性能要顯著優(yōu)于完全填充單層相應多孔介質的圓管,且管內總熵產小于完全填充單層相應多孔介質的圓管。在對部分填充多孔介質圓管的研究中,在交界面處采用應力跳躍邊界條件,求解得到了核心區(qū)域部分填充多孔介質圓管內速度場、溫度場和管內摩擦因子、管內努塞爾數(shù)、管內局部熵產率和管內總熵產率的解析解。研究中給出了部分填充多孔介質圓管中熵產的解析解,填補了此前研究的空白。重點討論了應力跳躍系數(shù)等相關參數(shù)對管內綜合換熱性能(PEC)和不可逆性的影響。結果表明:選取合適的部分填充參數(shù),在管內核心區(qū)域部分填充多孔介質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圓管中努塞爾數(shù)和總熵產率分別存在最大值和最小值,而且使努塞爾數(shù)和總熵產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】：

填充雙層多孔介質管道內強化換熱與熵產研模型 所示為填充雙層多孔介質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、滲透率和有效導孔介質。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圓管通道，自管壁帶走熱量。求解的過程中，做如下假設：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 結果與討論2.4.1 解析解的驗證為了對推導結果進行驗證，本文令兩層多孔介質的物性參數(shù)對應相等，則填充多孔介質的圓管通道等效為完全填充單層多孔介質的圓管通道。將該情況文求得的解與 Lu 等[39]推導的完全填充單層多孔圓管通道的解進行比對，圖 2 表本文所得結果與 Lu 等[39]推導的解析解完全一致。 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

質達西數(shù)不同，對流體的滲透能力不同導致的。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，多孔介質對流體的滲透越好。因此，大部分流體會以較高的速度流經達西數(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)較小的多孔介質時填充比對多孔圓道內速度分布的影響。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的圓管通道。從圖中可以看出，填充雙層多孔介質時，達西數(shù)大的區(qū)域內流體的流速大于填充單層多孔介質管流體的流速，達西數(shù)小的區(qū)域內流體的流速小于填充單層多孔介質管道內流體速。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的管道相比，填充雙層多孔介質的管道過改變所填充多孔介質的相關參數(shù)，進而改變管內流體的流量分布。

【參考文獻】

相關期刊論文 前1條

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

本文編號：2796393