所謂的多孔介質(zhì)是由固體骨架和骨架分割成的孔隙構(gòu)成的物質(zhì)。油氣開采中的天然裂縫和人工裂縫,熱管、建筑圍護結(jié)構(gòu)和保溫材料均可看作是多孔介質(zhì)。多孔介質(zhì)與流體之間的傳熱傳質(zhì)是一個復(fù)雜的耦合過程,廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和工程應(yīng)用的各個領(lǐng)域。例如油、氣開采中油、氣在油氣層與裂縫間的耦合流動問題,熱管中工作介質(zhì)在蒸汽通道與多孔毛細芯之間的耦合流動和換熱等。流體與多孔介質(zhì)之間的傳輸機理本就十分復(fù)雜,湍流流動更是加大求解的難度。尤其是湍流流體橫掠多孔介質(zhì)時界面處的滑移效應(yīng)對混合區(qū)域內(nèi)流體流動及流體與多孔介質(zhì)間的傳輸機理都有很大影響。因此,混合區(qū)域交界面的處理及滑移效應(yīng)的影響規(guī)律是許多研究的重點。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,采用理論分析、數(shù)值模擬與實驗驗證相結(jié)合的方法,對湍流流體橫掠多孔介質(zhì)的傳輸機理與滑移規(guī)律進行了研究。本文將湍流流體橫掠多孔介質(zhì)的混合區(qū)域簡化成二維物理模型。選取與Mohais相同的數(shù)學(xué)方法描述了流體區(qū)域湍流的流動。將純流體區(qū)域視為通道,將通道壁等效為多孔介質(zhì)墻壁,并采用攝動法以雷諾數(shù)為攝動量求解了非線性方程。與以往的研究不同的是,在流體與多孔介質(zhì)的界面處采用了由Ochoa-Tapia和Whitaker提出的剪切跳躍條件。以剪力跳躍條件作為主要邊界條件求得與流動和傳熱相關(guān)的解析解。通過對該解析解的分析,研究了滲透系數(shù)、通道寬度、剪切跳躍度和有效動力粘度對通道內(nèi)流動和傳熱的影響。得到了通道內(nèi)軸向速度隨特征參數(shù)的變化規(guī)律及換熱靈敏度。建立了由混合區(qū)域的特征參數(shù)(h,K,β,λ)表征的二維湍流數(shù)學(xué)模型。采用有限體積法對流體與多孔介質(zhì)混合區(qū)域進行宏觀尺度下的數(shù)值模擬。本文采用單區(qū)域法模擬,將自由流與多孔介質(zhì)看做一個整體,求解混合區(qū)域內(nèi)的流體流動。采用單區(qū)域法求解混合區(qū)問題,不需要對界面進行處理,即可滿足界面溫度、剪切力、速度、壓力和相關(guān)流量的邊界條件的連續(xù)性。我們用fluent中的用戶定義函數(shù)(User Defined Function,UDF)定義了流體的入口速度函數(shù)和輸運方程的源函數(shù)。流體區(qū)域與多孔介質(zhì)區(qū)域的控制方程原本是不相同的。我們通過控制UDF在Fluent中定義的源項來實現(xiàn)用一組控制方程控制整個混合區(qū)的目的,從而實現(xiàn)單域法。再通過與雙域法數(shù)值模擬的比較,驗證了該方法的準確性和可行性。然后,討論了不同物理參數(shù)對流體與多孔介質(zhì)界面滑移特性的影響,總結(jié)了速度滑移效應(yīng)的機理,為傳熱和傳質(zhì)的研究奠定了基礎(chǔ)。搭建可視化的流體與傳熱實驗臺,對流體橫掠多孔介質(zhì)的傳熱傳質(zhì)特別是交界面處的滑移效應(yīng)進行實驗研究。本實驗臺利用超聲多普勒測速儀(Ultrasound Doppler Velocimetry,UDV)可以直接獲得流體多孔介質(zhì)內(nèi)部的流動情況的優(yōu)點,通過對安裝有多孔介質(zhì)底床的透明玻璃槽道內(nèi)選定的豎直截面上足夠多點瞬時速度的測量即可獲得流體與多孔介質(zhì)混合區(qū)域的流動分布,通過更換不同的多孔介質(zhì)底床研究孔隙率、滲透率等多孔介質(zhì)特征參數(shù)對滑移及整個流場速度分布的影響。發(fā)現(xiàn)雷諾數(shù)和相對水位高度對滑移速度的影響較大,交界面處的滑移速度隨著雷諾數(shù)的增大而增大,隨著相對水位深度的增加而減小。而孔隙率對滑移速度的影響較小。自由流為多相流且多孔介質(zhì)尺度足夠小時毛細力作用將不可忽略,毛細力作用下兩相流流動問題有待深入研究。在單向流仿真的基礎(chǔ)上,利用VOF模型和UDF在動量方程中添加毛細力源項,對多孔介質(zhì)和流體混合區(qū)域的兩相流模型進行模擬仿真。實驗結(jié)果表明在體積分數(shù)梯度基本保持不變的前提下,多孔介質(zhì)最大抽吸高度與其內(nèi)部微通道所提供的毛細力存在確定的關(guān)系。
【學(xué)位單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：O357.3
【部分圖文】：

邐山東大學(xué)碩士學(xué)位論文邐逡逑為防止核燃料的泄露，核反應(yīng)堆芯的冷卻就顯得十分重要。而核反應(yīng)堆芯是逡逑由填充了核燃料的管狀燃料組件構(gòu)成的多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)，如圖ｌ－ｌ〔ａ）所示。因逡逑此研究冷卻液通過多孔介質(zhì)堆芯的滑移效應(yīng)，保證核反應(yīng)產(chǎn)生的過余熱量的逡逑快速導(dǎo)出對保障核能發(fā)電的安全性有著十分重要的意義［４］。逡逑

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Ｏｃｈｏａ－Ｔａｐｉａ及Ｗｈｉｔａｋｅｒ［５２］指出在求解體積積分的傳輸方程時，由于逡逑自由流區(qū)域與多孔介質(zhì)區(qū)域針對流體變量的積分程序不同，并考慮多孔介質(zhì)逡逑內(nèi)流體有效動力粘滯系數(shù)〔Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ邋Ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ〕的影響，建議在交界面采用剪逡逑力跳躍條件〔Ｓｈｅａｒ邋Ｓｔｒｅｓｓ丨ｕｍｐ邋Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ〕處理。應(yīng)用剪力跳躍條件所面臨的逡逑問題與達西定律相似，估算剪力在交界面跳躍程度的參數(shù)為經(jīng)驗系數(shù)，使用逡逑不同系數(shù)，將產(chǎn)生不同的計算結(jié)果。Ｍｉｌａｄｙ］通過對氣藏地的實際多孔巖層逡逑的多個取樣做滲透性實驗測得氣體滑移系數(shù)，但是這類實驗不具有一般性，逡逑所求得的滑移系數(shù)只適用于相同地質(zhì)情況地區(qū)的氣藏開采。山東建筑大學(xué)的逡逑陳寶明［５３－５７］團隊近年來一直對交界面處的滑移現(xiàn)象進行研究，利用ＰＩＶ實驗逡逑裝置測得由玻璃棒組成的多孔介質(zhì)交界面上自然對流剪力跳躍系數(shù)的范圍，逡逑為相關(guān)的數(shù)值模擬提供了依據(jù)，并指出交界面高度的選取對剪力跳躍系數(shù)有逡逑很大的影響，但是實驗都是在較大的孔隙率條件下進行的，當(dāng)孔隙率較小時逡逑

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