部分填充復(fù)合多孔介質(zhì)腔體自然對流及傳熱研究.pdf

1、流體在多孔介質(zhì)中滲流的現(xiàn)象普遍存在于人類的生產(chǎn)和生活當(dāng)中，特別是部分填充多孔介質(zhì)的復(fù)合區(qū)域問題的應(yīng)用背景更為廣泛，例如干燥過程、過濾過程、水的滲流過程、太陽能集熱器、熱管、核能利用、燃料電池、石油熱采和地?zé)峁こ痰取Ｗ匀唤缂肮こ虒?shí)際中存在非均質(zhì)的多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)，即復(fù)合多孔介質(zhì)，復(fù)合多孔介質(zhì)涵蓋分層多孔介質(zhì)，即各層多孔介質(zhì)的結(jié)構(gòu)和滲流特性各不相同，分層多孔介質(zhì)滲流問題廣泛存在于含水介質(zhì)的地下水滲流、非均質(zhì)砂巖油藏中的石油開采、具有保溫隔熱作用

2、的建筑復(fù)合墻體傳熱傳濕等過程中。因此對分層多孔介質(zhì)區(qū)域流體流動及傳熱的機(jī)理性研究是一項(xiàng)具有重要實(shí)用價值以及學(xué)術(shù)價值的工作，對于技術(shù)進(jìn)步與科學(xué)的發(fā)展具有重大意義。
　　本文采用由兩層多孔介質(zhì)組合成的復(fù)合多孔介質(zhì)簡化模型，將兩層多孔介質(zhì)依次填充在封閉腔體的左側(cè)，利用動量守恒方程和能量守恒方程分別建立部分填充復(fù)合多孔介質(zhì)封閉腔體自然對流及傳熱的一區(qū)域物理數(shù)學(xué)模型和兩區(qū)域物理數(shù)學(xué)模型，采用有限元方法進(jìn)行數(shù)值求解;針對本文所提出的兩多孔介質(zhì)

3、層間交界面的速度滑移弱約束表達(dá)式，通過對比分析一區(qū)域模型和兩區(qū)域模型的計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證此速度滑移表達(dá)式的有效性;運(yùn)用一區(qū)域計(jì)算模型的結(jié)果進(jìn)行理論分析，探討部分填充復(fù)合多孔介質(zhì)封閉腔體自然對流流體流動及傳熱的變化規(guī)律，考察復(fù)合多孔介質(zhì)物性及結(jié)構(gòu)特性、瑞利數(shù)Ra、普朗特數(shù)Pr對封閉腔體流動換熱的影響，重點(diǎn)關(guān)注各因素和不同工況下兩類交界面速度滑移系數(shù)的變化，探析交界面速度滑移效應(yīng)的機(jī)理;同時，采用X-射線計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)(X-CT)獲取真實(shí)多

4、孔介質(zhì)青磚和海綿的結(jié)構(gòu)圖，構(gòu)造左側(cè)填充青磚和海綿的復(fù)合多孔介質(zhì)封閉腔體流動及換熱模型進(jìn)行數(shù)值求解，分析兩類交界面的速度分布形式和對流傳熱的變化規(guī)律。
　　對于交界面的滑移現(xiàn)象及公式的驗(yàn)證結(jié)果表明:
　　1）利用圓柱構(gòu)造的復(fù)合多孔介質(zhì)中兩層多孔介質(zhì)滲流交界面上存在速度滑移現(xiàn)象;
　　2）對于X-CT實(shí)驗(yàn)獲得的青磚和海綿所構(gòu)成的真實(shí)復(fù)合多孔介質(zhì)腔體，在兩類交界面處存在速度滑移的現(xiàn)象，與圓柱構(gòu)造的復(fù)合多孔介質(zhì)腔體兩種交界面的

5、滑移現(xiàn)象具有一致性;
　　3）一區(qū)域模型和兩區(qū)域模型的計(jì)算結(jié)果表明本文對此交界面所提出的速度滑移弱約束表達(dá)式對兩層多孔介質(zhì)交界面的處理是合理有效的。
　　對于各因素對自然對流流動換熱的影響的研究結(jié)果表明:
　　1）隨著復(fù)合多孔介質(zhì)層占腔體的比例N值的增大，腔體內(nèi)流動減弱，左壁面平均Nu變小;
　　2）兩層多孔介質(zhì)孔隙率之差△ε增大，腔體內(nèi)整體流動增強(qiáng)，純流體側(cè)二分之一高度處的無量綱溫度θ數(shù)值明顯變大，而復(fù)合多孔介

6、質(zhì)側(cè)變化規(guī)律與之相反;
　　3）兩層多孔介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)比值Rk增大，腔體右壁面處的平均努謝爾特數(shù)Nu增大;
　　4）瑞利數(shù)Ra增大，腔體內(nèi)流體流動性增強(qiáng)，左壁面的平均努謝爾特數(shù)Nu增大;
　　5）普朗特數(shù)Pr的增大導(dǎo)致速度邊界層變厚，溫度邊界層變薄，腔體左壁面Nu增大，換熱效果增強(qiáng)。
　　對于兩種交界面的滑移效應(yīng)的變化的研究結(jié)果表明:
　　1）孔隙率差值△ε的增大導(dǎo)致兩層多孔介質(zhì)間交界面的速度滑移系數(shù)α1增大