部分填充多孔介質(zhì)復(fù)合腔體內(nèi)流體流動及傳熱傳質(zhì)的研究.pdf

1、多孔介質(zhì)中的流體流動及傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象遍及于自然界和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，其中由多孔介質(zhì)與流體組成的復(fù)合區(qū)域問題具有廣泛的應(yīng)用背景，例如，干燥過程、凝固過程、高性能保溫建筑、熱管、太陽能集熱器、地?zé)峁こ獭⒑四芾煤驮吞崛〉?。盡管近半個世紀(jì)以來，國內(nèi)外學(xué)者對多孔介質(zhì)腔體和純流體腔體鹵流體流動和傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象展開了深入的探討和研究，但是，對多孔介質(zhì)與流體組成的復(fù)合腔體的研究相對較少。而在工程實際中，涉及到多孔介質(zhì)與流體組成的復(fù)合腔體的問題比較多

2、，因此，多孔介質(zhì)與流體組成的復(fù)合腔體內(nèi)流體流動和傳熱傳質(zhì)機(jī)理的研究還需要更多的關(guān)注，以便為指導(dǎo)工程實際提供相應(yīng)的理論依據(jù)。
　　 部分填充多孔介質(zhì)復(fù)合腔體內(nèi)溫度梯度、濃度梯度及多孔介質(zhì)區(qū)域都對腔體內(nèi)的流體流動及傳熱傳質(zhì)有顯著影響，而以往的研究大部分局限于一種因素。本文采用理論分析、數(shù)值模擬和實驗研究相結(jié)合的方法，探討多孔介質(zhì)區(qū)域與流體空間交界面應(yīng)力滑移條件的影響，重點討論溫度梯度、濃度梯度共存時，復(fù)合腔體內(nèi)流體流動及傳熱傳質(zhì)的規(guī)

3、律。考慮多浮升力、多孔介質(zhì)區(qū)域及交界面應(yīng)力滑移條件的基礎(chǔ)上，建立了復(fù)合腔體雙擴(kuò)散自然對流的兩區(qū)域模型，并采用有限元理論輔以交界面弱約束條件對無量綱控制方程進(jìn)行離散和求解。
　　 在溫度場與濃度場共存的情況下，對不同工況進(jìn)行模擬計算和分析，得出了復(fù)合腔體雙擴(kuò)散自然對流的基本規(guī)律，展示了流場、溫度場、濃度場隨多孔介質(zhì)層厚度d、瑞利數(shù)Ra、浮力比數(shù)N、劉易斯數(shù)Le、達(dá)西數(shù)Da、交界面應(yīng)力滑移系數(shù)β1和β2等特征參數(shù)的變化情況，探討了這

4、些特征參數(shù)對壁面?zhèn)鳠醾髻|(zhì)系數(shù)的影響規(guī)律。
　　 通過對復(fù)合腔體內(nèi)壁面熱質(zhì)傳遞的研究，發(fā)現(xiàn)Da數(shù)對傳熱傳質(zhì)有重要的影響，較小的Da數(shù)對熱質(zhì)擴(kuò)散有顯著的阻礙作用；浮力比數(shù)N對流動特征有顯著的影響，主導(dǎo)著溫度場和濃度場的分布特征，直接影響傳熱傳質(zhì)；交界面應(yīng)力滑移系數(shù)β1和β2對交界面附近的速度有很大的影響，對整場速度分布影響不大，對溫度場和濃度場分布影響較小。
　　 在理論分析和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，搭建了復(fù)合腔體流動實驗臺，在水

5、平方向上施加溫度梯度使腔體內(nèi)形成自然對流，采用二維粒子圖像測速PIV技術(shù)對不同Ra數(shù)下的流場進(jìn)行了測試。測試結(jié)果表明：腔體內(nèi)的流動隨Ra數(shù)的增大而逐漸劇烈，而多孔介質(zhì)的存在對腔體內(nèi)的流場有非常大的影響。比較實驗實測流場與數(shù)值模擬結(jié)果，二者吻合較好。
　　 部分填充多孔介質(zhì)復(fù)合腔體內(nèi)雙擴(kuò)散自然對流的影響因素眾多，規(guī)律較為復(fù)雜，本文重點研究了多孔介質(zhì)參數(shù)(多孔介質(zhì)層厚度d、達(dá)西數(shù)Da、孔隙率ε)、雙擴(kuò)散參數(shù)(瑞利數(shù)Ra、浮力比數(shù)N、