气液分离强化传热多孔结构毛细上升特征

气液分离强化传热多孔结构,由于气体、液体在多孔壁面有着不同的力学行为,使得气液两相在多孔壁面发生分离,气体不能进入多孔壁面结构,液体则能自由进入,从而形成气体始终沿管壁运动,液体则在管中心流动这一高效传热流态。多孔壁面的毛细力对气液分离有着重要的影响。采用一种新颖的毛细力测试方法——红外热像测试法测试了多孔强化结构的毛细力。研究发现,多孔结构的毛细力与使用的粉末材料形状、颗粒尺寸及填充孔隙率有关。其中对毛细力影响最大的是粉末颗粒形状,颗粒尺寸次之,孔隙率最弱。     

金属丝网超亲/疏水性强化气液相界面运动

利用多孔结构进行液体的导流和气液分离是近年来强化传热的研究热点,主要原理是气液固三相界面的受力平衡,固相材料的亲疏水性则是决定微孔内气液固三相界面运动规律的关键因素。针对具有一定亲水性的金属铜网,进行超亲水和超疏水处理;考察多孔结构亲疏水性对相界面以及气液两相分离效果的影响。结果表明,金属铜网具有浸润自相容性;经过亲疏水表面改性后,超亲水性能阻挡气泡的通过;超疏水性能的多孔铜网更易与气体为伍,形成致密气封膜,阻挡液体进犯。静态实验测定多孔丝网的浸润自相容能力,接触角为151°丝网,对液相阻滞力为117.6N·m^-2;接触角为0°的超亲水丝网对气相阻滞力为49N·m^-2,并建立了多孔结构浸润自相容性与分离临界气泡尺寸的数学关联。     

金属丝网超亲/疏水性强化气液相界面运动

利用多孔结构进行液体的导流和气液分离是近年来强化传热的研究热点,主要原理是气液固三相界面的受力平衡,固相材料的亲疏水性则是决定微孔内气液固三相界面运动规律的关键因素。针对具有一定亲水性的金属铜网,进行超亲水和超疏水处理;考察多孔结构亲疏水性对相界面以及气液两相分离效果的影响。结果表明,金属铜网具有浸润自相容性;经过亲疏水表面改性后,超亲水性能阻挡气泡的通过;超疏水性能的多孔铜网更易与气体为伍,形成致密气封膜,阻挡液体进犯。静态实验测定多孔丝网的浸润自相容能力,接触角为151°丝网,对液相阻滞力为117.6 N·m~(-2);接触角为0°的超亲水丝网对气相阻滞力为49 N·m~(-2),并建立了多孔结构浸润自相容性与分离临界气泡尺寸的数学关联。     

功能性多孔介质中气泡输运调控的格子Boltzmann分析

为提高毛细蒸发海水淡化技术中的蒸发效率，多孔介质层需要维持一定的毛细压力，同时还要确保气泡能够快速通过。基于此背景，本文建立了多孔介质参数化模型，探究了气泡穿越多孔介质间隙过程的运动特征，研究在保持一定孔隙毛细压力的同时，通过调控孔道尺寸及排布从而使气泡能够更快速地通过多孔介质层。基于格子Boltzmann伪势模型分析了多孔介质孔隙率、壁面润湿特性、孔道排布及气泡水平方向初速度等对气泡形貌、上升速度、与壁面平均接触面积及孔隙毛细力的影响，获得了多孔介质的孔隙率设计范围，骨架润湿特性调控以及孔道排布方式的选择依据。同时还获得了在实际蒸发过程中，可以使气泡存在一定的水平方向初速度，从而能够更快地脱离多孔介质的策略。     

填料毛细管精馏传质效率影响因素的数值计算

毛细管精馏通过利用毛细结构内固液分子相互作用力和微孔结构界面曲率影响,改变混合液的气液平衡,实现对共沸溶液的分离.为探究毛细管精馏的操作条件对气液相间传质效率的影响,通过使用CFD数值模拟研究影响乙酸乙酯-乙醇混合溶液相间传质的因素,如气相进口速度、气相进口质量分数和孔隙率.结果表明:气相速度越大,会降低对乙酸乙酯的分...     

纳米孔链双层复合表面过冷池沸腾传热特性

微纳复合多孔结构对相变换热的强化是能源化工领域的重要主题。基于气液协同输运的概念，通过飞秒激光正交扫描加工，在硅片上生成二维嵌套的纳米孔链双层复合多孔结构，实验研究了其对HFE-7100过冷池沸腾传热特性的影响。实验结果表明，相比于光滑表面，多孔表面在35K过冷池沸腾条件下的起始过热度从16.7K下降到12.3K，降低26.3%，最大临界热通量提高128.7%。同时利用高速摄影观察气泡行为来研究强化沸腾传热机理。研究发现，双层多孔结构表面和内部形成的大量连通孔穴大幅度增加了有效成核位点，纳米孔和双层连通结构提供垂直和水平方向的液体补充通道，在高热通量下气泡尺寸更小，脱离更快。有效汽化核心密度增加以及气液自适应协同输运增强了多孔网络中的微液膜蒸发和微对流作用，从而有效提升沸腾换热能力和临界热通量。     

毛细管内气液两相流动的CFD模拟

毛细管精馏是一种分离共沸物系的新型分离技术,它利用毛细管的固-液相互作用来改变液体混合物的汽液平衡。毛细管通道内的气液两相流型在低气速时以泰勒流为主,今使用计算流体力学方法,对毛细管内泰勒流的多种影响因素,如:壁面作用、气液速率以及流体物性等进行了研究。首先考察壁面作用的影响,发现壁面粗糙度能改变气液柱形状和流场,粗糙度增大使通道内气液两相流型由泰勒流向泡状流转变,流动状态由层流向涡流转变。模拟不同接触角下的气液流动,发现壁面吸附作用在一定程度上影响气液柱长度和气液界面间的形状。通过模拟不同气液速率下的气液流动,观察气液柱长度与气液速率之间的关系。对模拟气液柱长度进行量纲分析,得到了泰勒流的气液柱长度的关联式,将该式与文献测定值进行比较,发现在一定范围内吻合较好。     

基于Lattice-Boltzmann方法的纳米颗粒多孔介质导热特性

为研究气凝胶纳米颗粒的导热特性,提出了一种基于随机统计原理的构造气凝胶多孔介质介观尺度三维物理模型的方法。模型中颗粒空间分布、粒径分布及孔隙率可以根据实际气凝胶微尺度结构数据调整。基于所构造的物理模型,采用D3Q15LBM进行了数值模拟。分析了颗粒尺寸、孔隙率等因素对气凝胶导热性能的影响规律,即在既定孔隙率下,热导率随粒径增大而减小;既定粒径下,随孔隙率的递增热导率先下降后上升;颗粒尺寸不均匀性对热导率的影响甚大。模拟与实验结果相吻合。研究工作对优化气凝胶导热性能,提高其有效热导率的预测精度具有参考价值。     

颗粒特性对撞击分离器性能影响的实验与数值研究

颗粒-壁面撞击行为和气固相间作用对撞击分离器的性能具有重要影响。基于玻璃珠及煤粉的单颗粒撞击实验数据建立平均撞击恢复系数模型,采用非球形颗粒曳力模型对平板式撞击分离器的分离性能和气固流动开展数值研究。结果表明,采用基于实验的平均恢复系数模型以及考虑颗粒形状的曳力模型,能够准确地预测撞击式分离器的总分离效率和分级分离效率。颗粒分离过程中,Stokes数较大的颗粒对颗粒-壁面撞击模型比较敏感,Stokes数较小的颗粒对气固曳力模型比较敏感。     

筛孔塔板上气相错流对液相流场影响的实验测量

利用热膜流速仪、测量了矩形塔内光板上液体单相流动以及筛孔板上气液两相流动时的液体流速分布，实验主要考察气液两相错流时，气体鼓泡作用对鼓泡区下游液体流速分布的影响，实验结果表明，单相流动时，受壁面效应的影响，靠近塔壁的液体的速度最低，气液两相错流时，受气体阻力作用的影响，靠近壁面液体的速度反而大于远离壁面处液体的速度，气相流量越大对液相流场的影响作用越强。     

两种烧结通道的沸腾传热和阻力特性对比

多孔材料对沸腾换热的强化是能源化工领域的重要主题。本文针对两种不同的烧结结构——并联微通道和扁平通道（仅有烧结底层）,以去离子水为工质,进行了过冷流动沸腾换热实验对比研究。研究发现：并联微通道的传热系数和临界热流密度远高于扁平通道,这和并联微通道优异的毛细供液性能相关。底厚粒径比对并联微通道的沸腾换热性能影响较大,过大的底厚粒径比会造成换热性能的下降。质量通量对小粒径样品的沸腾曲线和换热性能均影响较大,对大粒径（d=120μm）样品的沸腾曲线影响较小。烧结并联微通道的平均压降大于扁平通道。相同底厚下,平均压降随着微通道粒径的增大而增大。可视化观察表明：两种通道在中高热流密度流型不同,其主要相变机制均为薄液膜蒸发模式。     

Natural convection heat transfer of nanofluids along a vertical plate embedded in porous medium

The unsteady natural convection heat transfer of nanofluid along a vertical plate embedded in porous medium is investigated. The Darcy-Forchheimer model is used to formulate the problem. Thermal conductivity and viscosity models based on a wide range of experimental data of nanofluids and incorporating the velocity-slip effect of the nanoparticle with respect to the base fluid, i.e., Brownian diffusion is used. The effective thermal conductivity of nanofluid in porous media is calculated using copper powder as porous media. The nonlinear governing equations are solved using an unconditionally stable implicit finite difference scheme. In this study, six different types of nanofluids have been compared with respect to the heat transfer enhancement, and the effects of particle concentration, particle size, temperature of the plate, and porosity of the medium on the heat transfer enhancement and skin friction coefficient have been studied in detail. It is found that heat transfer rate increases with the increase in particle concentration up to an optimal level, but on the further increase in particle concentration, the heat transfer rate decreases. For a particular value of particle concentration, small-sized particles enhance the heat transfer rates. On the other hand, skin friction coefficients always increase with the increase in particle concentration and decrease in nanoparticle size.     

烧结型多孔表面管外池沸腾传热特性

实验研究了热通量为0.1~160 kW·m^-2时,去离子水在光管及烧结型多孔表面管管外的池沸腾传热特性,分析了换热管布置方式(垂直与水平)、管径大小(20、25和32 mm)与多孔层颗粒尺寸(30~105 μm)对池沸腾传热特性的影响规律。结果表明:去离子水在多孔管表面的起始沸腾过热度小于光管,比光管低3 K左右;多孔表面管可明显强化核态沸腾传热,其沸腾传热系数可达光管的3~4.5倍;大热通量下,换热管水平布置时的传热效果较垂直布置佳,且布置方式对多孔管换热效果的影响比对光管的影响小;随管径增大,光管与多孔表面管的沸腾传热系数降低;大颗粒尺寸多孔层的强化效果优于小颗粒尺寸多孔层。     

小管径-粒径比颗粒无序堆积通道内壁面效应数值研究

采用DEM-CFD方法对小管径-粒径比颗粒无序堆积通道内壁面效应进行了数值研究。针对D/d_p=5.0圆球无序堆积通道构建了光滑壁面和波节壁面两种通道壁面结构,分析了不同壁面结构堆积通道内孔隙率分布、流动和温度场分布及其流动换热性能。结果表明：小管径-粒径比光滑壁面颗粒无序堆积通道内壁面效应显著,壁面附近平均流速明显高于堆积中心区域,而平均温度要低于堆积中心区域,壁面附近0.5d_p区域内通过的流体质量流量比例为46%;波节壁面结构抑制了通道壁面附近漏流,可小幅提高堆积通道的换热能力,但堆积通道内的流动阻力也随之增大,其综合换热性能较光滑壁面堆积通道有所下降。     

LPG埋地储罐泄漏渗流扩散多相混合数值模型及模拟（Ⅰ）模型建立

在混合模型理论基础上,建立LPG（liquefied petroleum gas）在非饱和砂土中渗流扩散的传热、传质模型,研究LPG埋地储罐在砂土介质中发生泄漏时LPG渗流扩散的物理过程。该模型综合考虑了LPG泄漏相态、重力、黏滞力、毛细压力、扩散、非达西效应、气液相之间相互作用等影响因素的作用;在Forchheimer方程基础上,推导出多相混合流的非达西流动方程,并根据LPG实际渗流过程中流动状态的变化,将多相流非达西系数根据Reynolds数变化进行相应的改变,实现对多相流体从非达西流动向达西流动的转变现象的描述,能够模拟多种流动状态变化,扩展了模型的适用范围;根据LPG不溶于水的特性,简化了组分方程,推导出LPG体积浓度计算式。该模型能描述LPG埋地储罐泄漏后在砂土中流动趋势和对周围造成的影响,为埋地储罐场地选取、周边区域规划和事故预防、预测、应急提供依据。     

基于离散相模型的相变微胶囊流体传热特性数值模拟

相变材料微胶囊悬浮液是将相变微胶囊颗粒添加至单相流体中形成的一种新型传热介质，由于传热系数高、传热储能一体化等优势，具备很大的发展潜力。采用离散相两相流模型，对恒热流水平圆管中相变微胶囊流体的传热特性进行了模拟计算，通过对比实验数据验证了模型的可靠性，进而定量分析了颗粒尺寸、质量分数、相变潜热，特别是颗粒分布对传热的影响。结果表明随着微胶囊颗粒质量分数增加，颗粒粒径减小，相变潜热增大，壁面传热效果越好，且相变潜热大小对壁温控制和壁面传热的影响大于颗粒质量分数和颗粒尺寸的影响。比较了离散相模型与常用的单相流模型的计算结果，发现质量分数越高，颗粒集聚程度越高，单相流模型计算的偏差越大。     

Study on the effect of micro geometric structure on heat conduction in porous media subjected to pulse laser

Based on fractal theory, different two-dimensional fractal structures were constructed to simulate the practical porous media. Effective thermal conductivity for porous media was calculated by means of the finite volume method. Theoretical analysis of thermal response in the porous media under various heating conditions was performed with a multi-layer hyperbolic heat conduction model with volumetric heat generation. The results obtained in this paper indicate that pore size and micro distribution have a far-reaching impact on the heat conduction in porous media. If we assumed that both the thermal conductivity and the heat capacity of the solid phase is larger than those of liquid phase, decreasing the pore size and porosity is helpful to enhance the heat transfer in porous media and the peak of temperature increases with pore size and porosity. With the same pore size and porosity, the effect of the pore micro-geometric distribution on heat conduction in porous media is obvious. The method presented in this paper may suggest a valuable approach to theoretically evaluate the effect of pore micro-geometric structure on heat conduction in porous media.     

多孔介质内颗粒流动特性的格子Boltzmann模拟

地下岩石孔隙中小颗粒的运移和沉积会使得储层渗透性能降低,影响石油开发。为了探究悬浮颗粒在多孔介质中的流动过程,采用格子Boltzmann方法对三维多孔介质内流体和颗粒的运动过程进行了数值模拟,采用有限体积颗粒法构建多孔介质中骨架颗粒和悬浮颗粒。通过Half-Way反弹格式实现流体与颗粒间的相互作用,考虑孔隙结构、入口流速、孔隙率和颗粒直径对颗粒流动特性的影响,探究颗粒的运移和沉积规律。结果表明,入口速度对不同孔隙结构下颗粒的运动作用显著。随着入口速度增大,颗粒与颗粒、孔隙壁面以及流体之间的动量和能量交换作用增强,缩短了颗粒的运移路径,颗粒沉积率逐渐变小,颗粒拟温度增大。孔隙率的下降强化了颗粒间的碰撞,孔隙率由0.581降低至0.400,使得颗粒拟温度提升至9倍。颗粒拟温度随颗粒直径的增加而增加。但随着孔隙率增加,颗粒轴向速度增加,颗粒最高轴向速度可达入口流速的11倍,而颗粒接触力降低。     

Investigation of the effects of several porosity variation profiles on performance and pollutants emission of the porous media burners

This paper presents results of numerical investigation on the effect of using variable porosity porous media burner on its performance and pollutant emission. A two‐dimensional axisymmetric model for premixed methane/air combustion in porous media has been developed. This code solves the continuity, Navier Stokes, solid and gas energies, and chemical species transport equations using the finite volume method. The pressure and velocity have been coupled with the SIMPLE algorithm. In this paper, the results of applying two different profiles of porosity instead of constant porosity for two zones of burner have been presented. The results showed that by applying porosity variation along the burner, the peak temperature can be decreased about 4.5%, and subsequently, the amount of exhaust pollutants such as NO_x can also be decreased while increase in pressure losses along the burner is negligible. In addition, the effects of excess air ratio, volumetric heat transfer coefficient, inlet velocity, chemical kinetics, conductivity coefficient, and wall temperature on the porous media burners with variation of porosity are investigated. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

泡沫铜孔隙率和孔密度对流动与沸腾换热特性的影响

以去离子水作为工质，设计并搭建了以泡沫铜为研究对象的单相和两相换热实验系统。对于单相流动换热，当Re数较小时，孔隙率80%、孔密度90PPI的泡沫铜样品换热性能最好；当Re数较大时，孔隙率80%、孔密度45PPI的泡沫铜样品换热性能最好。泡沫铜最大换热系数为空通道的6倍，但同时需付出更大的泵功损耗为代价。对于两相流沸腾换热，低孔隙率样品70%~80%能有效地降低壁面过热度和强化沸腾换热性能。孔隙率对沸腾换热性能起决定性作用，孔隙率越低，沸腾换热系数越大；孔密度对沸腾换热性能起次要作用。90PPI泡沫铜样品，因其成核址密度高和毛细力较大，有助于提升泡沫铜的沸腾换热性能。