多孔介质方腔自然对流的直接数值模拟

为了研究多孔介质方腔的自然对流传热,通过在方腔内布置固体颗粒的方式来模拟多孔介质结构,并采用虚拟区域方法求解多孔介质中的流场和温度场,分析了固体颗粒的数目、布置方式和形状对传热效率的影响.在高Rayleigh数下,多孔介质方腔自然对流的传热主要是通过壁面附近热对流产生的环流.通过直接数值模拟研究发现：当保持Rayleigh数和固体体积分数不变时,随着模拟多孔介质的颗粒数目的增加,壁面平均Nusselt数随之减小,即传热效率降低,进一步的流场分析表明规则排列时最外排颗粒到壁面距离对于传热效率有重要的影响;当固体颗粒数目和体积分数相同时,颗粒随机布置在高Rayleigh数时比颗粒规则布置有更高的传热效率,而颗粒形状对于传热效率的影响则不大.     

坝基双集中渗漏通道传热模型及流速反演研究

堤坝集中渗漏通道可虚拟为持续线热源,通过线热源函数建立传热模型进行渗漏定量计算。针对现有线热源模型的一些局限,考虑在以下2个方面进行改进:1)线热源为有限长;2)热源强度是沿程变化的。而且实际地质条件下常有双通道或多通道渗漏的状况,此时现有的单通道传热模型已不适用。在此基础上应用虚拟热源法叠加原理建立了在半无限大介质中有限长双渗漏通道的传热模型,推导出其解析解,并提出了基于此模型对流速进行反演的系统方法。由此设计了一套室内实验系统对双集中渗漏通道传热模型在不同工况下的温度场进行模拟,并将理论计算值与实验实测值进行比较。结果表明,所建立的传热模型和所提出的流速反演方法是可行的。     

多孔介质预混燃烧气固温度分布特性试验研究

为研究多孔介质燃烧、传热和生成物特性，采用非接触式红外测温仪对多孔介质预混燃烧室中气、固两相温度分布进行了试验研究.结果表明预混气体在多孔介质中燃烧时，气相和固相的温度是不同的，存在－60～+100 K的温差.试验得到了不同当量比、热流密度和孔径下的燃烧室气、固温度分布.在火焰前缘，固体骨架的温度高于多孔介质内气体的温度，对气体有预热作用；在火焰后缘，气体温度高于固体骨架温度，对固体骨架有蓄热作用.当量比降低，气、固温差波动变小；当量比不变，热流密度增大，气、固温度差值在轴向长度方向变化小.     

分形多孔介质的流动与传热格子Boltzmann模拟

针对多孔介质内孔隙的尺寸、分布及连通性等结构方面的复杂性和随机性,采用分形谢尔宾斯基地毯模型来实现不同孔隙率及孔隙构造,并利用双分布热耦合格子Boltzmann模型对工质的流动与传热过程进行了数值模拟。在此基础上,研究了同一孔隙结构物理模型下孔隙率和压降对渗透率的影响,探讨了同一孔隙率下压降与不同固相基质结构入口流量之间的关系,并探究了固相基质的热导率及孔隙结构在孔隙流动与传热过程所起的作用。结果显示：建立的数值计算模型能正确地描述多孔介质内的流场及温度场;不同孔隙结构及孔隙率的流线与速度云图反映了多孔介质内流线及流速的分布特征;通过增大压降及孔隙率,能够使渗透率得到提高;不同导热比及孔隙结构类型下的温度分布特征及其随时间的变化规律,能够为强化航空航天领域中相变储能材料的导热性能分析提供理论参考。     

双分散多孔介质平板微通道中的气体滑流分析

基于双速度Brinkman-extended Darcy动量模型,分析了气体在双分散多孔介质(BDPM)平板微通道内的强迫对流及其稀薄效应对流动阻力的影响.当孔隙流体在双分散多孔介质内作高速流动时,f相和p相流场相互耦合,且本质上受四阶微分方程控制.采用正常模式降阶法导得原控制方程的二阶解耦形式及其速度分布解析解.计算结果表明,随着稀薄效应的增强,滑移速度增大而流动阻力减小.     

内嵌换热面双层多孔介质预混燃烧试验研究

为了研究具有内嵌换热面的泡沫型多孔介质中的气体燃烧、传热特性,将换热面内嵌布置于双层泡沫型多孔介质下游碳化硅泡沫陶瓷中,试验研究甲烷/空气预混气体在其中的温度分布、稳燃范围、燃烧产物排放特性,分析燃烧器热效率和换热面在多孔介质内的传热过程.结果表明,在泡沫型多孔介质燃烧系统中内嵌换热面后可以降低燃烧器温度水平,具有较宽的稳燃范围;相较于无换热面情况,内嵌换热面后,燃烧器出口NOx排放量下降,试验工况范围内低于35mg/m3;燃烧器热效率随入口气流速度下降并保持在60%~80%;换热管外壁与多孔介质气固两相的传热相较于传统的气流横向冲刷管束,平均传热系数增幅可达75%.     

基于LBM的多孔骨架热物性对固液相变的影响研究

对不同物性骨架对固液相变过程的影响研究可为中低温相变储能技术的应用和发展奠定理论基础。文章基于格子玻尔兹曼方法(LBM),采用两区域焓—多孔介质模型研究了方腔内无填充多孔介质骨架固液相变过程,从孔隙尺度分析了相变过程的流动和传热机理,探讨了方腔内填充不同导热系数的骨架对于相变过程的影响。结果表明:在无填充多孔介质骨架方腔内固液相变过程中传热方式由热传导逐渐向自然对流换热转变,形成向右倾斜的糊状区;它的存在导致相变材料不能完全融化,且在方腔的左侧壁面处存在上窄下宽的固相相变材料;在填充多孔介质骨架方腔内,融化的初始阶段,高导热系数多孔骨架的相变材料融化速率较大,对相变换热起到了明显的促进作用,而当相变过程发展至准稳态阶段,受到右壁面处的低温影响和糊状区的综合作用,相变过程受到明显的抑制,且骨架的导热系数越大,其融化率越低。     

基于变形功的有效应力力学机理探究

针对Terzaghi有效应力公式在饱和多孔介质力学中的适用性问题,提出新的饱和多孔介质的体积变形功方程,基于变形功探究有效应力力学机理. 当忽略固流相基质变形时,运用机械功原理证明Terzaghi有效应力公式的正确性. 当考虑固流相基质变形时,根据混合物理论将固相体应变分为固相体积分数应变和固相基质体应变. 通过推导和分析体积变形功守恒方程,揭示Terzaghi有效应力与固相体积分数应变之间的功共轭力学关系. 在小应变条件下,当固相基质变形、固相体积分数变化和流相基质变形之间的受力机理相互独立时,Terzaghi有效应力唯一地决定饱和多孔介质的固相体积分数应变. 同时采用固相基质压力和Terzaghi有效应力才能够完全确定固相体积变形. 研究结果表明,Terzaghi有效应力作为影响固相体积变形的内在因素之一,其表达式无须修正.     

有渗流时地热换热器温度响应的解析解

为确定地下水渗流对竖直埋管地热换热器的影响,建立了多孔介质中有渗流时的换热能量方程,得到了有渗流时无限大介质中线热源温度响应的解析解.归纳得出影响这一传热过程的无量纲量,并分析了地下水渗流对地热换热器中温度场的影响.分析计算的结果表明适度的地下水渗流对原一维温度场的影响明显.地下水渗流越大,温度场变形越显著,达到稳态的时间越短,稳态过余温度越低.     

倾斜埋管地热换热器稳态温度场分析

对地热换热器中单个倾斜钻孔引起的稳态温度分布进行了分析.在有限长线热源和半无限大介质的假定下,采用虚拟热源法和线性叠加原理,首次导出了倾斜有限长线热源产生的三维稳态温度分布的解析解表达式,并揭示了各参数对该传热过程的影响规律.提出了稳态时地热换热器倾斜孔壁两个代表性温度的定义,并对两者进行了比较,进而给出了可供实际工程应用的简化计算式.     

多孔泡沫金属换热器内流体的流动和传热分析

对管间填充多孔泡沫金属的方形管壳式换热器内流体沿管间轴向强制层流的流动和恒热流密度的传热进行了理论研究。结果表明,流体的径向速度分布呈现类似于光管内湍流时近壁处薄层内变化率大,其余大部分区域平坦的特征;流体和泡沫的径向温度分布较为平坦;流体的压力降随泡沫孔数（ppi）增大的增长明显大于时流换热的Nu数随ppi数增大的增长;泡沫的孔隙率越小,流体的压力降越大,对流换热的Nu数也越大。     

放热流体在多孔渗流水平圆柱外的自然对流

针对等温加热的多孔渗流水平圆柱体浸没在放热流体中的层流自然对流传热问题采用摄动法进行分析.圆柱体的多孔渗流特性用圆柱壁面的法向速度进行表示.通过摄动法对自然对流传热的边界层方程进行近似分析,并利用龙格-库塔方法求得方程的数值解,得到自然对流的速度与温度场以及沿圆柱体壁面的努塞尔数分布.结果表明,在有壁面外法向速度时,圆柱体的局部换热受到抑制;然而壁面吸入或流体放热效应都对局部努塞尔数有增强效果.圆柱体的平均努塞尔数随着流体放热的增加或壁面内法向速度的减小而降低.在流体放热恒定时,壁面流出效应对整体换热的影响并不明显.     

Slip flow and variable properties of viscoelastic fluid past a stretching surface embedded in a porous medium with heat generation

This study examines theoretically and computationally the non-Newtonian boundary layer flow and heat transfer for a viscoelastic fluid over a stretching continuous sheet embedded in a porous medium with variable fluid properties, slip velocity, and internal heat generation/absorption. The flow in boundary layer is considered to be generated solely by the stretching of the sheet adjacent to porous medium with boundary wall slip condition. Highly nonlinear momentum and thermal boundary layer equations governing the flow and heat transfer are reduced to set of nonlinear ordinary differential equations by appropriate transformation. The resulting ODEs are successfully solved numerically with the help of shooting method. Graphical results are shown for non-dimensional velocities and temperature. The effects of heat generation/absorption parameter, the porous parameter, the viscoelastic parameter, velocity slip parameter, variable thermal conductivity and the Prandtl number on the flow and temperature profiles are presented. Moreover, the local skin-friction coefficient and Nusselt number are presented. Comparison of numerical results is made with the earlier published results under limiting cases.     

套管换热器换热特性的数值分析

采用三维模型数值模拟了套管的换热特性,分析了套管换热器出口位置、倾角对套管对流换热性能的影响,选择给出了部分截面上的温度、Nusselt数(Nu)和对流换热系数的分布.结果表明:套管出口位置对换热量有重要影响,而倾角对换热量影响很小;温度在热边界层内发生剧烈变化,外管壁面温度变化不明显;对流换热系数随雷诺数(Re)(2 650～10 800)的增加而增加.将Nu的计算结果与Kays和Leung的解析解作了比较,二者吻合很好.     

SiC-水纳米流体在微小通道中的流动和换热特性

为了解决传统换热工质导热系数和传热性能不高的问题,以Si C-水纳米流体为工质,研究了不同体积分数(0.001%、0.005%、0.01%、0.1%、1%)的Si C-水纳米流体在多孔微通道平行流扁管中的单相流动和换热特性.该扁管矩形通道的水力直径为2.08 mm,实验Re大约为150~5 200.研究结果表明:随着体积分数的增加,纳米流体的Nu呈现先增长后下降的趋势;体积分数为0.01%的Si C-水纳米流体在Re≈5 200时,Nu增长最大,增长率达到80.8%;纳米流体起到强化换热效果的同时,伴随着阻力增加.     

高温介质短管耦合换热中的热流分布与辐射作用

通过数值模拟短管内常物性高温介质的辐射与对流耦合换热，研究了壁面热流及介质内的热流分布特征，考察了介质辐射作用对热流分布的影响，管内流动为层流正在发展流，介质为吸收发射性灰介质，换热与流动同时发展，采用离散坐标法求解圆柱坐标系下的辐射传递方程，以获得辐射换热项，并将该项作为耦合换热能量方程的源项处理，采用控制容积法离散能量方程和N－S方程，并用SIMPLEC算法进行失代求解，结果表明，高温介质辐射不仅对壁面热流和局面努谢尔数分布有重要影响，而且使介质内径向热流分布发生较大改变。     

套管式换热器注气强化传热数值模拟

为研究注气技术强化换热的效果,采用混合模型建立了立式套管式换热器的数学模型,对不同流动状态下的注气强化换热过程进行数值模拟,基于努塞尔数对强化换热性能进行评价,比较了不同流动状态下注气速度对换热器的速度场、温度场和压降的影响。结果表明,注入气泡能够促进流场产生垂直于壁面方向的运动,提高努塞尔数并降低压降,改善了换热器的换热性能;层流时强化换热效果最好,努塞尔数最大提升102%;过渡流和湍流状态下,气泡流速大小对努塞尔数和压降变化无明显影响。     

Characteristics of Convection Heat Transfer in Power-Law Fluid Saturated Porous Media Channel

幂律流体饱和多孔介质通道内对流换热特性

田兴旺¹,张琨¹,刘峰¹,王平²,徐士鸣²

（1.大连海洋大学 海洋与土木工程学院,辽宁 大连 116023;2.大连理工大学 能源与动力工程学院,辽宁 大连 116024）

摘 要：

基于Darcy-Brinkman-Forchheimer流动模型和局部非热平衡模型,考虑黏性耗散效应的影响,建立了幂律流体在多孔介质通道内流动传热的一般模型。推导出无量纲速度分布和流、固温度分布的计算表达式,并在恒热流边界条件下,利用经典的四阶Runge-Kutta法进行了自编程序的数值求解。模拟结果表明,无量纲的相间传热系数Bi、有效导热系数比k、达西数Da,布林克曼数Br、综合惯性参数F等表征参数对无量纲流、固温度分布有着较大的影响,同时发现不同幂律指数的流体对流动传热特性也有着重要的影响。

关键词：粘性耗散;幂律流体;多孔介质;局部非热平衡;数值模拟

     

内置双螺旋结构换热管金属氢化物反应器的传热性能

针对金属氢化物反应器传热性能较差的问题,提出了更紧凑高效的双螺旋结构换热管。建立了内置螺旋管的金属氢化物反应器的三维数学模型,研究了换热流体入口平均流速对反应器传热性能的影响,确定了模拟中入口平均流速的范围,对比分析了单、双螺旋结构对反应器性能的影响。结果表明：在换热流体入口平均流速大于0.5m/s以后,能达到较好的换热效果,换热流体的平均真实温升趋于稳定。减小螺旋导程可以明显提高换热流体的平均真实温升和反应器的传热性能。对于导程为60mm的单、双螺旋结构管,床层平均温度降至300K所用时间从7000s缩短到3000s。导程为30mm的双螺旋结构管的单位重量输出?功率比导程为15mm的单螺旋结构管更高,可见内置双螺旋结构管反应器的传热性能优于内置单螺旋结构管反应器。双螺旋结构管具有更大的换热面积,在反应器床层内的位置分布更加均匀,从而提高了反应器的传热性能。     

管内填充环状金属多孔介质强化传热优化分析

在圆管内层流充分发展段填充环形金属多孔介质以实现强化传热,建立了流动与传热的数学模型,并着重分析了多孔介质填充位置对管内速度、温度分布以及传热综合性能的影响。数值模拟结果表明:填充金属多孔介质的区域温度非常均匀,速度分布趋于平坦,而未填充多孔介质的区域速度及温度梯度均较大,壁面与流体之间的换热显著增强;此外,对于填充一定截面积多孔介质的圆管,为获得较高的PEC值,宜将多孔介质的填充位置靠近圆管中心。