泡沫多孔材料中強(qiáng)制對(duì)流與高溫輻射的耦合傳熱研究.pdf

1、泡沫多孔材料具有三維的網(wǎng)絡(luò)骨架和相互連通的孔隙通道，孔隙尺寸小、比表面積大，增強(qiáng)了對(duì)流動(dòng)的擾動(dòng)，有效地強(qiáng)化了能量的傳遞，是優(yōu)良的熱交換媒介。掌握其內(nèi)部高溫耦合傳熱機(jī)理和特性規(guī)律，對(duì)太陽(yáng)能高溫?zé)徂D(zhuǎn)換和高溫多孔強(qiáng)化傳熱技術(shù)的發(fā)展有重要意義。基于宏觀(guān)尺度研究方法，本文對(duì)泡沫多孔材料內(nèi)高溫輻射-對(duì)流耦合傳熱機(jī)理、數(shù)值計(jì)算方法和強(qiáng)制對(duì)流輸運(yùn)特性進(jìn)行了研究。
　　針對(duì)泡沫多孔材料內(nèi)高溫輻射-對(duì)流耦合傳熱模擬分析，采用蒙特卡羅法(MCM)、P1

2、近似和Rosseland擴(kuò)散近似三種輻射傳輸求解方法對(duì)泡沫多孔材料自身熱輻射傳輸進(jìn)行求解，編制了相應(yīng)的計(jì)算程序模塊，結(jié)合Fluent軟件，實(shí)現(xiàn)兼顧輻射效應(yīng)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(duì)流換熱求解和高溫耦合換熱實(shí)驗(yàn)對(duì)比三方面，驗(yàn)證了計(jì)算方法和程序的可靠性，分析了P1近似和Rosseland擴(kuò)散近似應(yīng)用于泡沫多孔材料內(nèi)耦合傳熱模擬的計(jì)算精度，結(jié)果表明采用P1近似可獲得可靠性較高的結(jié)果。

3、
　　溫度的測(cè)量是研究泡沫多孔材料內(nèi)傳熱特性的關(guān)鍵。針對(duì)高溫泡沫多孔材料內(nèi)部溫度的瞬態(tài)測(cè)量，建立了熱電偶溫度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)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(cè)點(diǎn)位置的流體和固體溫度。對(duì)紅外測(cè)溫方式，建立了測(cè)溫過(guò)程的輻射傳輸模型，采用反向蒙特卡羅法(BMCM)進(jìn)行模擬，以半透明介質(zhì)層表面測(cè)溫為例，分析了半透明性對(duì)紅外測(cè)溫的影響。
　　設(shè)計(jì)搭建了管內(nèi)泡沫多孔材料的強(qiáng)制對(duì)流

4、換熱實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)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(duì)流換熱特性，比較分析了現(xiàn)有的12組壓降經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式與7組容積換熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，通過(guò)擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，給出了新的壓降和容積換熱系數(shù)預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式，且關(guān)聯(lián)式與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的偏差均在±40％以?xún)?nèi)。對(duì)碳化硅泡沫進(jìn)行了高溫耦合換熱實(shí)驗(yàn)，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(guò)數(shù)值模擬比較發(fā)現(xiàn)，數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)偏差小于25.2%。
　　采用實(shí)驗(yàn)獲得的壓降與容積換熱系數(shù)關(guān)

5、聯(lián)式，在定壁溫和定熱流兩種邊界條件下，對(duì)管內(nèi)泡沫多孔材料的耦合傳熱進(jìn)行模擬分析，考察了孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)和管壁發(fā)射率等參數(shù)對(duì)傳熱特性的影響。基于太陽(yáng)能熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的輻射傳輸模擬，獲得了泡沫多孔吸熱芯對(duì)聚集太陽(yáng)能的容積吸收分布，實(shí)現(xiàn)了考慮聚集太陽(yáng)能非均勻入射下泡沫多孔材料內(nèi)的耦合傳熱模擬分析，比較了對(duì)吸熱芯入口聚集太陽(yáng)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(jì)算偏差較大(高達(dá)25.8%)；進(jìn)一步分析了孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)梯度布置以及各層不同厚度