球床多孔介质通道单相流体流动特性研究

作     者：李振鹏 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙中宁

授予年度：2009年

学科分类：080701[工学-工程热物理] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：多孔介质 阻力压降 Forchheimer模型 Ergun型公式 数值模拟 

摘      要：本文以球床水冷反应堆为研究背景,对管内填充玻璃球构成的球床多孔介质通道内单相水的流动特性进行了可视化研究。实验采用的有机玻璃管的内径为50mm,填充玻璃球直径分别为2mm、3mm、5mm和8mm,相应的孔隙率为0.366、0.395,0.384和0.408。实验在常压下进行,流速范围为1.08-3755.5kg/h。 多孔介质内的流动特性计算中比较常用的有Forchheimer模型和Izbash模型。通过与实验数据对比分析,发现Forchheimer方法计算更为准确,物理意义也更加明显。还将几种典型的以Forchheimer计算模型为基础的Ergun型经验公式与实验数据进行了对比分析,结果表明此类公式在低流速时能与实验数据符合较好,但随着流速的提高误差呈现增加的趋势。虽然根据无量纲压降随雷诺数变化趋势的不同,确定出了多孔介质通道内不同流区的转换边界,但是分区拟合方法得到的Ergun型经验公式在分区点的粘性阻力项和惯性阻力项计算值不连续;采用不分区拟合的方法,计算精度又相对较低。引入边界效应的影响,以Forchheimer计算模型为基础,给出了新的阻力压降计算公式,其平均相对误差为5.92%,最大相对误差小于12%。 本文还对流动特性进行了示踪观察和压力波动分析。在多孔介质通道内不同流态的流体呈现出不同的流动特征和压力波动变化特性。在Forchheimer区,流体流线存在交叉和分离现象,压力脉动相对较小;在湍流区,压力脉动相对较大。多孔介质内的流体同时还存在着滞流、回流以及弥散等现象。 最后,利用Fluent计算软件对多孔介质中单相流体流动进行了数值模拟,并将计算结果与实验数据进行了对比分析。结果表明,利用Fluent软件中的简化多孔区域物理模型计算多孔介质中流体流动,一方面在流速较高区域计算出的阻力压降误差较大;另一方面,由于该模型对多孔区域进行了简化,因而不能真实的模拟出多孔介质中流体流动的速度矢量场。