多孔介質(zhì)T型管道混合區(qū)流動(dòng)與傳熱機(jī)理和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、T型管道在諸如能源動(dòng)力等許多關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重要工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，T型管道管壁材料周期性熱應(yīng)力波動(dòng)產(chǎn)生的主要原因是混合區(qū)中不同溫度流體湍流混合引起的溫度波動(dòng)，而其造成的主要結(jié)果是管壁材料的熱疲勞。隨著管壁材料熱疲勞損傷的不斷加劇，最終導(dǎo)致T型管道壁面材料的熱疲勞破裂，危及管路系統(tǒng)安全和使用壽命，對(duì)安全生產(chǎn)影響重大。因此，研究T型管道混合區(qū)流體流動(dòng)和傳熱的特性及機(jī)理，對(duì)混合區(qū)的速度波動(dòng)和溫度波動(dòng)進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，尋求減小管壁材料的熱應(yīng)力波動(dòng)

2、和控制管道結(jié)構(gòu)的熱疲勞破壞風(fēng)險(xiǎn)的方法，對(duì)提高管路系統(tǒng)連續(xù)生產(chǎn)的安全性和使用壽命具有重要的科學(xué)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。近些年來，研究者們利用多孔介質(zhì)的湍動(dòng)增強(qiáng)作用和強(qiáng)化傳熱特性，將多孔介質(zhì)添加到通道中，改變通道中的流場(chǎng)分布，以期達(dá)到強(qiáng)化傳熱效果，被證明是一種行之有效的方法。
　　 本文以球形顆粒正交排列的多孔介質(zhì)T型管道混合區(qū)為研究對(duì)象，采用實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬研究相結(jié)合的方法，考察了混合區(qū)中冷熱流體的湍流混合與傳熱問題。通過建立多孔介質(zhì)T

3、型管道混合區(qū)中湍流流動(dòng)與傳熱理論研究的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用大渦模擬數(shù)值方法對(duì)三維多孔介質(zhì)T型管道物理模型中，不可壓縮流體湍流混合過程進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并使用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值求解。實(shí)驗(yàn)以水為流動(dòng)介質(zhì)，在設(shè)計(jì)開發(fā)的多孔介質(zhì)管道實(shí)驗(yàn)臺(tái)上開展了57種實(shí)驗(yàn)工況條件下的湍流混合實(shí)驗(yàn)，用特制的多點(diǎn)熱電偶溫度傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)量得到了混合區(qū)的瞬時(shí)溫度信息，對(duì)瞬時(shí)溫度進(jìn)行時(shí)均化和無量綱化處理得到了各個(gè)測(cè)點(diǎn)位置的無量綱時(shí)均溫度和無量綱均方根溫度，并以此對(duì)比

4、分析了不同主支管溫差（理查德森數(shù)）、流量比（動(dòng)量比）、混合區(qū)雷諾數(shù)等因素對(duì)多孔介質(zhì)T型管道混合區(qū)的溫度分布和溫度波動(dòng)的影響機(jī)理。通過數(shù)值計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了大渦模擬數(shù)值方法的可行性和有效性，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開展了多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)效應(yīng)（顆粒直徑和孔隙率）以及骨架材料（導(dǎo)熱率）等不同條件下多孔介質(zhì)T型管道混合區(qū)流動(dòng)與傳熱的數(shù)值模擬研究。主要工作及結(jié)論如下:
　　 (1)建立了多孔介質(zhì)T型管道混合區(qū)不可壓縮流體湍流流動(dòng)與

5、傳熱理論研究的數(shù)學(xué)模型，通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比證明了運(yùn)用大渦模擬數(shù)值方法預(yù)測(cè)多孔介質(zhì)T型管道湍流混合過程的可行性和有效性。
　　 (2)在孔隙通道對(duì)流動(dòng)的擾動(dòng)和支管流體的沖擊兩者共同作用下，多孔介質(zhì)T型管道混合區(qū)中由主支管溫差引起的浮升力對(duì)流動(dòng)的影響作用被削弱，而流體的慣性力對(duì)流動(dòng)起支配作用。因此主支管溫差及浮升力的增大對(duì)混合區(qū)中流動(dòng)的壓力損失、速度和速度波動(dòng)以及溫度分布無明顯影響，混合區(qū)溫度波動(dòng)有所增大，但并不顯著。
　　

6、 (3)主支管流量比和動(dòng)量比的不同直接影響支管冷流體對(duì)主管熱流體的沖擊作用，使得多孔介質(zhì)T型管道混合區(qū)中冷熱流體的分布發(fā)生改變，導(dǎo)致混合區(qū)中的溫度分布和溫度波動(dòng)隨之改變。主支管流量比增大時(shí)，冷流體的沖擊作用影響減小，混合區(qū)中流體溫度升高，溫度波動(dòng)增大，發(fā)生較大溫度波動(dòng)的區(qū)域減小且向支管入口處靠近。主支管流量比不變時(shí)，混合區(qū)的雷諾數(shù)隨著主支管流量同時(shí)增大而增大，但混合區(qū)冷熱流體的分布并未根本改變，因此溫度和溫度波動(dòng)的增大并不顯著。

7、　　 (4)對(duì)于孔隙率相同的多孔介質(zhì)T型管道，隨著多孔介質(zhì)顆粒直徑和孔隙通道尺寸的減小，混合區(qū)中冷熱流體的湍流混合尺度隨之減小，導(dǎo)致混合區(qū)的速度及速度波動(dòng)的幅值減小，速度波動(dòng)的區(qū)域也減小，壓力損失增大;對(duì)流傳熱的作用對(duì)T型管道混合區(qū)的傳熱影響逐漸減弱，而熱傳導(dǎo)的作用增強(qiáng)，混合區(qū)中溫度分層現(xiàn)象明顯，溫度波動(dòng)的幅度和發(fā)生波動(dòng)的范圍也隨顆粒直徑的減小而減小。
　　 (5)對(duì)于相同排列方式的均勻多孔介質(zhì)，隨著孔隙率的減小，T型管道混合