多孔介質(zhì)的分形描述及其流動與傳熱特性研究.pdf

1、多孔介質(zhì)流動與傳熱在自然界以及過程工業(yè)中普遍存在，尤其在地下滲透、墻體保溫、相交蓄熱等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。然而，由于孔隙結(jié)構(gòu)的隨機性，多孔介質(zhì)內(nèi)的流動與傳熱過程極其復雜。因此，研究多孔介質(zhì)的流動和傳熱現(xiàn)象，不僅具有重要的工程應(yīng)用價值，而且對探索微觀孔隙結(jié)構(gòu)中的流動和傳熱機理也有著重要的科學意義。
　　目前，多孔介質(zhì)的傳熱傳質(zhì)機理還未得到充分揭示，尤其是多孔介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)的隨機特征與多孔介質(zhì)流動和傳熱特性之間的內(nèi)在聯(lián)系仍未明確。此

2、外，考慮到多孔介質(zhì)隨機、統(tǒng)計自相似的結(jié)構(gòu)特性，亟需發(fā)展能夠真實反映實際多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)特性的幾何構(gòu)建模型。為此，本文基于分形布朗運動模型對多孔介質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)進行定量描述和幾何重建，分別建立了多孔介質(zhì)內(nèi)滲流、導熱、固液相變的理論模型并進行了數(shù)值模擬，研究了多孔介質(zhì)的滲流特性、熱傳導和固液相變過程中的傳熱特性，分析討論了多孔介質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)、固體骨架和流體相的熱物性以及工況參數(shù)對多孔介質(zhì)流動與傳熱特性的影響機理。同時，開展了多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)固液相變傳熱

3、特性研究的可視化實驗，驗證了文本建立的多孔結(jié)構(gòu)固液相變理論模型的正確性?？偠灾?，本文的研究工作主要取得了以下結(jié)論:
　　(1)建立了多孔介質(zhì)內(nèi)單相流動滲流模型并進行數(shù)值模擬，研究了孔隙率及分形維數(shù)對多孔介質(zhì)滲流特性的影響。研究結(jié)果表明:由于孔隙結(jié)構(gòu)的隨機性，多孔介質(zhì)內(nèi)的速度分布不均勻，且在孔道寬度劇變處易出現(xiàn)速度峰值。需要注意的是，當雷諾數(shù)Re＞1后，達西定律不能準確地描述多孔介質(zhì)的滲流特性。此外，多孔介質(zhì)的滲透率隨孔隙率單調(diào)遞

4、增，且當孔隙率ε＞0.6后，單調(diào)遞增趨勢更明顯。同時，分形維數(shù)對多孔介質(zhì)的滲流特性也有著重要的影響，分形維數(shù)的增加，有效地強化了多孔介質(zhì)的滲流輸運能力。
　　(2)建立了多孔介質(zhì)的單相導熱模型并進行數(shù)值模擬，研究了孔隙率、分形維數(shù)及固體骨架和流體相的導熱系數(shù)之比對多孔介質(zhì)導熱特性的影響。研究結(jié)果表明:多孔介質(zhì)固體基質(zhì)的彌散分布使得其內(nèi)部的溫度和熱流呈非均勻分布。此外，多孔介質(zhì)的有效導熱系數(shù)隨孔隙率單調(diào)遞減，且當孔隙率ε＞0.6后，

5、遞減趨勢逐漸平緩。同時，分形維數(shù)與多孔介質(zhì)的有效導熱系數(shù)呈負相關(guān)，分形維數(shù)的增加，在一定程度上削弱了多孔介質(zhì)的導熱能力。需要注意的是，多孔介質(zhì)的固相和流體相導熱系數(shù)之比對其有效導熱系數(shù)的影響有一定的限度，超過臨界值后，多孔介質(zhì)的有效導熱系數(shù)將基本保持不變。
　　(3)建立了多孔介質(zhì)內(nèi)相變材料(PCM)融化和凝固過程的理論模型并進行了數(shù)值模擬，研究了多孔介質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)及工況對相變傳熱特性的影響，并與純PCM進行對比。研究結(jié)果表明:純

6、PCM的固液相界面移動緩慢，并且逐漸由直線演變成曲線;而多孔介質(zhì)內(nèi)則形成了一個整體上的模糊相界面和一個個局部相界面。同時，多孔結(jié)構(gòu)固體骨架有效地改善了PCM融化過程中的傳熱特性，使得孔隙間PCM的溫度高于純PCM相同位置處的溫度，且整體溫度分布更為均勻。此外，多孔介質(zhì)內(nèi)PCM融化過程中的等效傳熱速率與初始溫差呈正相關(guān)，初始溫差的增大，提高了融化過程中的溫度梯度，從而加快了融化的進程。需要注意的是，多孔介質(zhì)的孔隙率與融化過程中的等效傳熱速

7、率呈負相關(guān)，卻與總蓄熱量呈正相關(guān)。因此，存在一個最優(yōu)孔隙率，使得該孔隙率下的多孔相變復合介質(zhì)，不僅具有較高的蓄熱能力，而且其傳熱速率也不至于過慢。同時，多孔介質(zhì)的分形維數(shù)對其相變傳熱特性也有著一定的影響，隨著分形維數(shù)的增大，多孔介質(zhì)內(nèi)PCM融化過程中的等效傳熱速率減小，減緩了其逼近最終熱平衡狀態(tài)的進程。
　　(4)搭建了多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)PCM融化和凝固過程研究的可視化實驗平臺，實時觀測了多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)PCM凝固和融化過程中相界面的演化;同時

8、，針對不同工況下多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)的動態(tài)溫度特性進行了同步監(jiān)測，建立了多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)固液相變傳熱速率與初始溫差之間的內(nèi)在聯(lián)系。實驗研究結(jié)果表明:相同工況下，多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)PCM融化和凝同過程中傳熱特性的實驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果有很好的吻合。純PCM的固液相界面移動緩慢，并且逐漸由直線演變成曲線;而多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)的PCM由于孔隙結(jié)構(gòu)的限制則形成了一個個獨立的固液相界面，并且其固液相界面的演化速率明顯加快。顯然，多孔結(jié)構(gòu)固體骨架有效地改善了PCM的傳熱特性，使得