多孔介质辅助平板式太阳能集热器热性能强化的数值仿真研究

多孔介质材料具有良好的传热和蓄热性能。设计了新型多孔介质辅助平板式太阳能集热器的二维数值仿真模型，对其内部热性能进行了数值模拟，研究多孔介质块的形状(矩形、梯形、三角形结构)、布置数量和渗透率(达西数Da=10^-5～10^-2)等因素对平板式太阳能集热器热性能强化的影响；然后考虑到插入多孔介质伴随的压降和摩擦阻力损失，提出了评价集热器传热性能与阻力损失的性能评估标准。研究结果表明：在平板式太阳能集热器换热通道插入4种不同形状的多孔介质块，矩形多孔介质块背部附近区域更易产生涡区，集热器内传热性能最强，但通道内流动阻力系数大，从而导致阻力损失大。当多孔介质区域总长度一定时，随着多孔介质块布置数量的增加，涡区数量相应增加，集热器内传热性能加强，且通道内流动阻力损失呈现先增加后降低的规律。多孔介质块渗透率对集热器传热性能的影响显著，当Da=10^-2时，集热器传热性能最强。集热器内多孔介质块布置任意数量、高渗透率(Da=10^-2)条件下，矩形多孔介质块的性能评估标准最佳；在多孔介质块布置数量(N=6)较多、低渗...     

多孔介质-双层玻璃幕墙传热与流动特性

基于多孔介质具有吸收和贮存太阳能的特点,在双层玻璃幕墙通道内设置了多孔介质层,利用多孔介质充分收集与贮存太阳能用于建筑供暖,并采用数值模拟法研究了幕墙的传热与流动特性.结果表明,玻璃幕墙能充分利用太阳能加热新风供暖,集热效率高又节能,有推广价值.     

内插多孔介质微通道热沉的数值模拟

以水为流动介质,在微通道内添加堆叠金属丝网多孔介质,采用局部非热平衡假设和双能量方程模型,分析了内插不同目数金属丝网的微通道在层流状况下的传热与阻力特性,并采用数值计算方法对微通道热沉进行了数值模拟。结果表明,在微通道内插入多孔介质能显著提高热沉的对流换热系数、降低加热面平均温度,但阻力增加较大,且当插入的金属丝网目数为100目时,微通道热沉的对流换热系数较大,与填充其他目数金属丝网相比阻力增加较小。     

双分散多孔介质圆管通道中骨架发热对强迫对流传热的影响

多孔介质填塞是传热强化的有效方法之一。与单分散(普通)多孔介质相比,双分散多孔介质含有多孔骨架相和裂纹相,流体充满裂纹相(大孔隙)和多孔骨架相内小孔隙,因此具有更大的比表面积。基于双速度-双温度模型,分析了恒热流边界条件下双分散多孔介质圆管通道的强迫对流传热,并推导了两相的无量纲温度以及Nu的解析解。参数分析表明,多孔骨架发热会在通道壁-双分散多孔介质交界面上出现热流(温度梯度)分岔现象,并从数学和传热学角度阐释了其发生机理。在骨架吸热情形下,单分散和双分散多孔介质通道的Nu均呈现不连续特征,而对于双分散多孔介质通道,当有效导热系数比较大时,这种不连续特征仅出现在骨架生热情形。并且分析了Nu的渐近行为。     

骨架导热特性对部分填充多孔介质复合腔体内传热影响的模拟研究

利用有限元数值方法对部分填充多孔介质复合腔体内的自然对流进行模拟研究,模拟利用两区域法来计算复合腔体内的自然对流,在多孔介质区域采用Forheimer-Brinkman-Darcy方程,在纯流体区域使用Navier-Stokes方程,重点研究了多孔介质骨架导热特性对自然对流的影响。研究发现,在一定范围内随着多孔介质导热性的增强,流体温度升高,部分填充多孔介质腔体内自然对流有一定程度的增强。     

泡沫陶瓷多孔介质内流体流动及表面传热模拟

气隙扩散蒸馏脱盐技术利用具有大比表面积的多孔介质作为蒸发器，海水在多孔介质内部流动并在表面蒸发，多孔介质起到了强化液体蒸发的作用;但由于多孔介质结构极其复杂，很难使用传统的实验技术从微观水平观测到多孔介质孔隙通道内流体的流动状态以及传热现象。针对此问题采用计算机数值模拟方法，拍摄实际碳化硅泡沫陶瓷CT图片，构建三维模型进行有限元模拟分析。结果表明，多孔介质内流体会优先通过较大孔隙通道。流体在多孔介质表面向环境空气的散热量随孔隙密度增大而增大，孔隙密度从10提高至30 PPI，散热量提高约1.43倍。进口热流体与环境空气温差越大，向环境的散热量越大，孔隙密度在30 PPI条件下，进口热流体温度从49.38增加至68.67 ℃，散热量提高近2.07倍。     

填充有多孔介质的T型通道内冷热流体混合过程的大涡模拟

通过大涡模拟(large-eddy simulation,LES)对填充有烧结铜球多孔介质的T型通道内冷热流体混合过程的流动与传热情况进行了数值模拟,获得了混合区域内的瞬时温度和瞬时速度,通过时均值和均方根值来描述温度和速度的平均大小和波动程度。数值结果表明:在主管下游离多孔介质区域不远处的温度波动最为剧烈,在多孔介质的孔隙中流体速度波动最为剧烈。     

骨架发热多孔介质通道内单相流阻力与换热特性数值模拟

以Fluent 6.3为平台,采用局部非热平衡模型,对紊流及紊流过渡区范围内骨架发热多孔介质竖直通道内的非达西强制对流换热进行了数值模拟。采用三维N-S方程及标准k-ε湍流模型描述多孔介质内的流动,详细研究了孔隙有效雷诺数Re(400Re2000),表面热流密度q(q=5、30和90 kW/m2)和冷却剂入口温度Tin(Tin=20、50和80℃)的变化对多孔介质流道内流动阻力及换热特性的影响。结果表明:低热流密度下,表面热流密度的变化对流动阻力和换热系数的影响很小;小球直径对换热系数的影响显著,且随着雷诺数的增加而增加;换热系数随冷却剂入口温度的增加而减小。     

多孔介质燃烧室内湍流流动及燃油喷雾的数值模拟

以多孔介质发动机为背景,用数值模拟方法考察气缸内加入多孔介质蓄热体后对燃烧室内湍流流场及混合气形成的影响.计算基于Antohe和Lage的适用于多孔介质的k-e模型,其中引入了Darcy项和Forchheimer项.对燃油喷雾在自由空间和多孔介质组成的燃烧室内的流场进行了数值计算.计算结果表明,多孔介质对燃油液滴与空气的混合过程具有重要的影响,多孔介质内的流场作为一个局部流场和整个燃烧室内流场发生相互作用.Darcy项和Forchheimer项均对湍能起阻尼作用,从而降低多孔介质内的湍能水平.这种阻尼作用随多孔介质渗透率的减小而增大.为检验数值模型的合理性,针对文献中的实验条件进行了相应的数值计算,计算结果与实验结果吻合良好.     

有/无多孔介质的矩形T型管道内蒸汽 直接接触凝结流型的实验研究

采用高速摄影仪,对填充和未填充球形多孔介质的矩形T型管道内蒸汽直接接触凝结流型进行了可视化实验研究。研究发现未填充多孔介质条件下存在五种典型凝结流型:间歇凝结、振荡射流、稳态射流、尾部振荡射流和发散射流;填充多孔介质条件下则存在三种典型凝结流型:振荡射流、弹状稳定射流和雾状稳定射流。研究表明:多孔介质对凝结流型及汽羽形状有显著影响;由于多孔介质内部的黏滞阻力和惯性阻力,填充多孔介质的凝结流型类型减少;随着蒸汽流量的增加,凝结流型较快的进入到稳定状态,削弱了蒸汽直接接触凝结汽羽的振荡。     

多孔介质导热的分形模型

多孔介质中热量传递与多孔介质内部的几何结构有密切的关系，讨论了多孔介质的分形结构和相关的分形维数，利用能量方程，导出了分形维数为D的有限尺度多孔介质中的广义热传导方程，在此基础上，假定热量在多孔介质中的传导路线也是一种分形结构，提出了一个筒化的多孔介质并联通道分形导热模型，求出了基于分形理论的多孔介质有效导热系数表达式。     

纤维过滤器气相流场的数值研究

基于多孔介质模型对二维纤维过滤器内气相流场进行了数值计算,得到了不同结构(填充密度和过滤器深度)纤维过滤器内的静压分布.为了观察多孔介质模型在研究过滤器流场的适应性,本文还计算了不包括多孔介质模型时,相同填充密度不同纤维排列纤维过滤器内的气相流场.结果表明:基于多孔介质模型时,静压沿着过滤器深度方向线性变化,填充密度越大,初始压降越大.因此,如果多孔介质的粘性阻力系数选择合理,该模型可以应用于计算过滤器的气相流场.但是,该模型并没有考虑过滤器内部纤维排列方式对其内部流场的影响,而实际上,过滤器内部纤维的排列行为将显著影响过滤器的流场和初始压降.因此如果要进一步研究过滤器内复杂的气固两相流,还需进行深入研究.     

多孔介质发动机燃烧过程的多维数值研究

多孔介质发动机是一种新概念内燃机,它能实现均质和稳定燃烧.用改进的KIVA-3V对一种特定结构的多孔介质发动机的工作过程进行了模拟,并讨论了多孔介质初始温度、多孔介质结构特点对其燃烧与工作特性的影响.计算结果表明,在压缩比一定时,多孔介质初始温度是多孔介质发动机能否压燃着火的决定性因素;不同结构的泡沫陶瓷直接影响多孔介质内气固两相的换热,影响燃烧后期缸内温度和多孔介质固相的平均温度.     

部分填充多孔介质复合腔体内自然对流的二维PIV实验研究

利用PIV技术对部分填充多孔介质腔体内的二维流动进行测试试验,采用三维打印技术构造高孔隙率的球体结构作为多孔介质模型,搭建了二维PIV测试试验台对部分填充多孔介质复合腔体内自然流动进行了实验测试。通过实验结果与模拟结果的对比分析,发现在多孔介质中间断面位置,因两侧端面导致的三维效应可忽略不计,可以作为二维流场的最佳测试断面。     

材料和喷口直径对多孔介质微燃烧的影响

为了进一步优化微燃烧室的设计,以最大化提高微燃烧室的能量转换效率及微热光电系统的整体工作效率,在前期工作的基础上设计了不同多孔介质材料及喷嘴/燃烧室内径比的多孔介质微燃烧室.通过实验验证,针对多孔介质微燃烧室内的氢氧预混燃烧进行了数值模拟计算,研究结果表明,多孔介质材料,喷嘴/燃烧室内径比对微燃烧室内的微尺度燃烧有重要影响,微燃烧室在多孔介质材料为SiC, 喷嘴/燃烧室内径比为0.27时燃烧效率最高,有利于提高微热光电系统的整体效率.     

两层多孔介质燃烧器的数值模拟

通过一维数值模拟研究了预混气体在两层多孔介质燃烧器内的燃烧特性,着重研究两层多孔介质燃烧器中的超绝热燃烧和火焰的稳定区域。结果表明,预混气体在两层多孔介质内可以发生一定程度的超绝热燃烧,贫燃极限可以扩展到0.45。两层多孔介质能够在较宽的流速范围内将火焰稳定在它的交界面上。数值预测的最小和最大火焰传播速度与实验取得了相同的趋势,其火焰传播速度至少是自由空间中的3倍。     

多孔介质特性参数对燃烧温度及压力影响的数值模拟研究

考查了两段式多孔介质内预混气燃烧的温度与压力分布情况。建立了甲烷／空气预混气体在多孔介质内燃烧的二维数学模型,运用FLUENT软件求解瞬态控制方程的方法计算出燃烧稳定后多孔介质内的温度、与压力分布,并考查了不同当量比、多孔介质辐射衰减系数和导热系数对温度和压力分布的影响。结果表明,甲烷／空气预混气体在多孔介质中燃烧,当量比越大温度峰值越高,压力梯度越大;小孔介质辐射衰减系数的改变对温度分布和压力分布没有明显的影响,而大孔介质辐射衰减系数对温度分布和压力分布有较大的影响;增加多孔介质的导热系数,会使固相与气相温度均有所升高,燃烧区域压力降低。     

多孔介质微燃烧器的稳燃范围的数值研究

应用计算流体力学软件Fluent,对氢气/空气预混气在部分填充多孔介质的微平板燃烧器中的实验现象进行了模拟,研究了多孔介质热导率、壁面热导率、多孔介质孔隙率对稳燃范围的影响.模拟结果表明:稳燃范围的大小与多孔介质热导率呈正相关趋势,较高的多孔介质热导率将会拓宽稳燃范围;随着壁面热导率的增加,稳燃范围与壁面热导率呈V型比例;多孔介质孔隙率也是影响稳燃范围的一个重要因素,在0.5~0.9的区间内,随着孔隙率的增大,稳燃范围也随之增大.     

惰性多孔介质内天然气预混燃烧的数学模拟评述

天然气在惰性多孔介质内的预混燃烧是一个包含燃烧、辐射、对流及导热的复杂过程，从数学模拟的角度，比较了几种不同的甲烷-空气化学反应模型，研究了多孔介质内辐射传递方程的不同求解方法，并且分析了多孔介质的导热系数、对流换热系数等对燃烧器性能的影响。     

两种形式多孔介质发动机燃用液体燃料的着火特性

融合一种新式燃烧理念的多孔介质发动机,能够实现发动机的均质、高效和稳定燃烧.为加深对两种形式多孔介质发动机燃用液体燃料着火特性的了解及探讨影响其各自压燃着火的因素,用改进的KIVA-3V对两种形式的多孔介质发动机燃用异辛烷的工作过程进行了模拟,并讨论了多孔介质初始温度、多孔介质结构对两种形式发动机压燃着火的影响.计算结果表明,压缩比一定时,多孔介质初始温度是决定两种形式多孔介质发动机能否实现压燃着火的重要因素;与永久性接触型发动机相比,在较低的多孔介质初始温度下,即可保证周期性接触型发动机实现压燃着火;多孔介质结构通过改变多孔介质内气固两相换热及弥散作用影响两种形式多孔介质发动机的压燃着火.