本文關鍵詞：泡沫多孔材料中強制對流與高溫輻射的耦合傳熱研究

  更多相關文章： 泡沫多孔材料 強制對流 熱輻射 高溫 耦合傳熱

【摘要】：泡沫多孔材料具有三維的網(wǎng)絡骨架和相互連通的孔隙通道,孔隙尺寸小、比表面積大,增強了對流動的擾動,有效地強化了能量的傳遞,是優(yōu)良的熱交換媒介。掌握其內部高溫耦合傳熱機理和特性規(guī)律,對太陽能高溫熱轉換和高溫多孔強化傳熱技術的發(fā)展有重要意義。基于宏觀尺度研究方法,本文對泡沫多孔材料內高溫輻射-對流耦合傳熱機理、數(shù)值計算方法和強制對流輸運特性進行了研究。針對泡沫多孔材料內高溫輻射-對流耦合傳熱模擬分析,采用蒙特卡羅法(MCM)、P1近似和Rosseland擴散近似三種輻射傳輸求解方法對泡沫多孔材料自身熱輻射傳輸進行求解,編制了相應的計算程序模塊,結合Fluent軟件,實現(xiàn)兼顧輻射效應和流、固兩相局部非熱平衡(LTNE)傳熱的耦合傳熱分析。分別從輻射傳輸求解、LTNE對流換熱求解和高溫耦合換熱實驗對比三方面,驗證了計算方法和程序的可靠性,分析了P1近似和Rosseland擴散近似應用于泡沫多孔材料內耦合傳熱模擬的計算精度,結果表明采用P1近似可獲得可靠性較高的結果。溫度的測量是研究泡沫多孔材料內傳熱特性的關鍵。針對高溫泡沫多孔材料內部溫度的瞬態(tài)測量,建立了熱電偶溫度的動態(tài)響應分析模型,基于耦合傳熱模擬方法,分析了熱電偶溫度的表征信息和變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)熱電偶溫度不能直接表征測點位置的流體和固體溫度。對紅外測溫方式,建立了測溫過程的輻射傳輸模型,采用反向蒙特卡羅法(BMCM)進行模擬,以半透明介質層表面測溫為例,分析了半透明性對紅外測溫的影響。設計搭建了管內泡沫多孔材料的強制對流換熱實驗裝置,實驗研究了銅、鎳和碳化硅三種泡沫多孔材料的壓降特性和容積對流換熱特性,比較分析了現(xiàn)有的12組壓降經(jīng)驗關聯(lián)式與7組容積換熱系數(shù)經(jīng)驗關聯(lián)式,通過擬合實驗數(shù)據(jù),給出了新的壓降和容積換熱系數(shù)預測關聯(lián)式,且關聯(lián)式與實驗數(shù)據(jù)的偏差均在±40%以內。對碳化硅泡沫進行了高溫耦合換熱實驗,基于熱電偶溫度的修正,獲得了流、固兩相的溫度數(shù)據(jù),并通過數(shù)值模擬比較發(fā)現(xiàn),數(shù)值結果與實驗偏差小于25.2%。采用實驗獲得的壓降與容積換熱系數(shù)關聯(lián)式,在定壁溫和定熱流兩種邊界條件下,對管內泡沫多孔材料的耦合傳熱進行模擬分析,考察了孔隙結構參數(shù)和管壁發(fā)射率等參數(shù)對傳熱特性的影響�；谔柲軣徂D換系統(tǒng)的輻射傳輸模擬,獲得了泡沫多孔吸熱芯對聚集太陽能的容積吸收分布,實現(xiàn)了考慮聚集太陽能非均勻入射下泡沫多孔材料內的耦合傳熱模擬分析,比較了對吸熱芯入口聚集太陽輻射能流的三種處理方式,發(fā)現(xiàn)采用邊界熱流處理方式的計算偏差較大(高達25.8%);進一步分析了孔隙結構參數(shù)梯度布置以及各層不同厚度分配對雙層多孔芯吸熱器傳熱性能的影響。通過研究,驗證了泡沫多孔材料內高溫輻射-對流耦合傳熱的模擬方法,深入認識了泡沫多孔材料高溫換熱實驗中的溫度測量特征,獲得了泡沫多孔材料內對流換熱的實驗數(shù)據(jù)和計算關聯(lián)式,掌握了管內、聚集太陽能入射作用下泡沫多孔材料的耦合傳熱特性和相關因素的影響規(guī)律。研究結果為高溫多孔換熱系統(tǒng)的熱設計、評估與優(yōu)化提供了理論基礎和參考依據(jù)。
【關鍵詞】：泡沫多孔材料 強制對流 熱輻射 高溫 耦合傳熱
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TK124
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-18
• 第1章 緒論18-36
• 1.1 研究背景及意義18-21
• 1.2 多孔材料內強制對流-輻射高溫耦合傳熱數(shù)值研究現(xiàn)狀21-26
• 1.2.1 通道內多孔材料的輻射-對流耦合傳熱數(shù)值研究現(xiàn)狀21-23
• 1.2.2 太陽能入射下多孔材料內輻射-對流耦合傳熱數(shù)值研究現(xiàn)狀23-26
• 1.3 多孔材料內強制對流及與輻射耦合傳熱實驗研究現(xiàn)狀26-34
• 1.3.1 多孔材料內輻射-對流耦合傳熱實驗研究現(xiàn)狀26-27
• 1.3.2 多孔材料換熱實驗的測溫研究現(xiàn)狀27-30
• 1.3.3 多孔材料內對流輸運參數(shù)實驗研究現(xiàn)狀30-34
• 1.4 本文的主要研究內容34-36
• 第2章 泡沫多孔材料內輻射-對流耦合傳熱模擬方法36-57
• 2.1 泡沫多孔材料內輻射-對流耦合傳熱計算方法36-43
• 2.1.1 物理模型36-37
• 2.1.2 基本控制方程37-40
• 2.1.3 固相輻射傳輸求解方法40-43
• 2.2 數(shù)值模擬的可靠性分析43-46
• 2.2.1 輻射傳輸求解驗證43-44
• 2.2.2 局部非熱平衡傳熱模擬驗證44-46
• 2.3 耦合傳熱模擬中的影響因素分析46-53
• 2.3.1 計算模型及求解方法46-47
• 2.3.2 兩相局部對流換熱模型的對比分析47-48
• 2.3.3 容積對流換熱及壓降關聯(lián)式的對比分析48-50
• 2.3.4 熱輻射效應的影響50-51
• 2.3.5 流、固兩相的熱物性影響51-53
• 2.4 輻射傳輸求解方法的比較53-55
• 2.5 本章小結55-57
• 第3章 泡沫多孔材料內換熱參數(shù)的測量方法分析57-77
• 3.1 高溫泡沫多孔材料內溫度的熱電偶瞬態(tài)測量分析57-66
• 3.1.1 熱電偶瞬態(tài)傳熱模型57-59
• 3.1.2 測溫過程及分析方法的可靠性59-61
• 3.1.3 泡沫多孔材料換熱中熱電偶的測溫信息及影響因素61-64
• 3.1.4 熱電偶準穩(wěn)態(tài)傳熱模型分析64-66
• 3.1.5 熱電偶結點輻射換熱求解方法分析66
• 3.2 高溫半透明材料的紅外測溫分析66-73
• 3.2.1 紅外測溫的數(shù)學模型67-69
• 3.2.2 程序可靠性驗證69-70
• 3.2.3 相關參數(shù)的影響分析70-72
• 3.2.4 幾何形狀的影響分析72-73
• 3.3 泡沫多孔材料內對流輸運參數(shù)實驗測量分析73-76
• 3.4 本章小結76-77
• 第4章 泡沫多孔材料內強制對流換熱實驗77-109
• 4.1 實驗裝置與測量系統(tǒng)77-79
• 4.2 泡沫多孔材料結構參數(shù)79-81
• 4.3 泡沫多孔材料內氣流壓降特性實驗測量81-92
• 4.3.1 實驗測量過程及不確定性分析81-83
• 4.3.2 測量結果及影響因素分析83-86
• 4.3.3 經(jīng)驗關聯(lián)式對比分析86-92
• 4.4 容積對流換熱實驗測量92-99
• 4.4.1 實驗測試段及分析92-94
• 4.4.2 容積對流換熱實驗測量結果分析94-99
• 4.5 管內泡沫多孔材料高溫耦合換熱實驗及分析99-107
• 4.5.1 實驗段及測量過程99-100
• 4.5.2 測量結果分析100-102
• 4.5.3 溫度測量數(shù)據(jù)的修正102-107
• 4.6 本章小結107-109
• 第5章 泡沫多孔材料內高溫耦合傳熱特性分析109-132
• 5.1 泡沫多孔材料內高溫耦合傳熱數(shù)值模擬與實驗比較109-112
• 5.2 管內泡沫多孔材料的耦合傳熱分析112-116
• 5.2.1 管壁發(fā)射率的影響112-114
• 5.2.2 孔隙結構參數(shù)的影響114-116
• 5.3 多孔容積式太陽能吸熱器的傳熱性能分析116-124
• 5.3.1 吸熱器傳熱模型及求解方法116-118
• 5.3.2 泡沫多孔材料中聚集太陽能的吸收分布特性118-121
• 5.3.3 聚集太陽光入射下泡沫多孔材料內輻射換熱計算方法比較121-122
• 5.3.4 泡沫多孔吸熱器高溫耦合傳熱的影響因素分析122-124
• 5.4 吸熱芯入口聚集太陽輻射處理方式的比較124-127
• 5.5 雙層多孔芯吸熱器的傳熱特性分析127-130
• 5.5.1 孔隙率梯度布置模擬結果分析129
• 5.5.2 孔徑梯度布置模擬結果分析129-130
• 5.6 本章小結130-132
• 結論132-135
• 參考文獻135-151
• 附錄A151-155
• 攻讀博士學位期間發(fā)表的學術論文155-159
• 致謝159-160
• 個人簡歷160

【參考文獻】

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本文編號：777597