填充多孔介質(zhì)對(duì)平板通道內(nèi)流動(dòng)換熱的影響和優(yōu)化分析.pdf

1、由于換熱設(shè)備在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用,提高換熱效率和研究新的強(qiáng)化傳熱技術(shù)越來越受到人們的廣泛關(guān)注。多孔介質(zhì)由于具有密度小、比表面積大、對(duì)流體強(qiáng)烈的摻混能力等優(yōu)點(diǎn),利用多孔介質(zhì)強(qiáng)化傳熱作為新型的強(qiáng)化換熱手段之一,給強(qiáng)化傳熱領(lǐng)域帶來了新的機(jī)遇。對(duì)多孔介質(zhì)內(nèi)的對(duì)流換熱規(guī)律深入研究對(duì)我國(guó)能源利用及經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要意義。本文對(duì)平行平板通道中填充多孔介質(zhì)的對(duì)流換熱規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬研究,通過研究其流動(dòng)換熱規(guī)律,以期為工程應(yīng)用提供參考。本文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)

2、論如下:
　　 (1)在恒熱流壁面條件下,采用局部熱平衡模型,對(duì)平板通道中完全填充多孔介質(zhì)的層流強(qiáng)制對(duì)流換熱進(jìn)行數(shù)值模擬研究,首先比較了Brinkman-Darcy(BD)流動(dòng)模型和Brinkman-Darcy-Forchheimer(BDF)流動(dòng)模型求解得到的結(jié)果,表明當(dāng)Re數(shù)較小時(shí),BD模型和BDF模型求解得到的速度場(chǎng)有一定的差異,但是解得的溫度場(chǎng)差異不大;隨著Re數(shù)的增大,BD模型和BDF模型求解得到的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)差異都

3、逐漸增大。隨著Re數(shù)的增大,對(duì)流換熱得到強(qiáng)化,流動(dòng)阻力系數(shù)f值逐漸增大,而綜合換熱效率γ值逐漸減小。隨著Da數(shù)的增大,對(duì)流換熱系數(shù)逐漸減小,流動(dòng)阻力也逐漸減小,而綜合換熱效率γ卻呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。隨著孔隙率的增大,壁面平均Nu數(shù)逐漸減小,流動(dòng)阻力逐漸降低,且降低的幅度遠(yuǎn)大于壁面平均Nu數(shù)減小的幅度,因此,綜合換熱效率隨著孔隙率的增大而增大。
　　 (2)在恒熱流壁面條件下,分別采用BDF流動(dòng)模型和局部熱平衡模型,對(duì)平板通道中

4、部分填充多孔介質(zhì)的層流強(qiáng)制對(duì)流換熱進(jìn)行數(shù)值模擬研究。首先研究了多孔介質(zhì)填充位置對(duì)流動(dòng)換熱的影響,結(jié)果表明當(dāng)多孔介質(zhì)填充于通道核心區(qū)域時(shí),對(duì)流換熱效果最好,且流動(dòng)阻力增加不大,綜合換熱效率最高。隨著填充率的增大,通道壁面平均Nu數(shù)先增大后減小;流動(dòng)阻力系數(shù)隨填充率的增大而急劇增大,綜合換熱效率逐漸減小,因此選擇合適的填充率是非常重要的。在平板通道中填充具有正弦波形的多孔介質(zhì),對(duì)流體的擾動(dòng)能力更強(qiáng),通道內(nèi)流體流動(dòng)表現(xiàn)出高度的非線性性,強(qiáng)化了

5、通道內(nèi)流體質(zhì)點(diǎn)的換熱能力,但同時(shí)也增大了流體的流動(dòng)阻力。隨著正弦波形波長(zhǎng)的增大,多孔介質(zhì)對(duì)流體的擾動(dòng)減弱,對(duì)流換熱強(qiáng)度隨之下降,流體的流動(dòng)阻力減小;隨著正弦波形振幅的增大,多孔介質(zhì)對(duì)流體的擾動(dòng)能力增強(qiáng),流體質(zhì)點(diǎn)間的熱交換能力得到增強(qiáng),對(duì)流換熱得到強(qiáng)化,但同時(shí)流動(dòng)阻力增大,綜合換熱效率降低。
　　 (3)在恒熱流壁面條件下,分別采用BDF流動(dòng)模型和局部熱平衡傳熱,對(duì)平板通道中填充多孔物塊的層流強(qiáng)制對(duì)流換熱進(jìn)行數(shù)值模擬研究,重點(diǎn)分析

6、了多孔物塊的填充位置、填充形狀和等分多孔物塊對(duì)流動(dòng)換熱的影響。研究結(jié)果表明添加多孔物塊后,很好地促進(jìn)了壁面與流體間的對(duì)流換熱;將多孔物塊填充于通道的核心區(qū)域與壁面處相比,對(duì)流換熱更充分,流動(dòng)阻力更小,且綜合換熱效率最高。將相同面積、不同形狀的多孔物塊填充于平板通道核心區(qū)域,多孔物塊在垂直于來流方向上的投影長(zhǎng)度越長(zhǎng),對(duì)流換熱強(qiáng)度越高,但同時(shí)流動(dòng)阻力也越大,因此在實(shí)際應(yīng)用中需要在流動(dòng)阻力和換熱能力之間做一個(gè)權(quán)衡。將多孔物塊等分后填充到平板通