气隙扩散蒸馏多孔介质表面蒸发的LBM模拟

作     者：孙纲纲 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王平

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0824[工学-船舶与海洋工程] 

主      题：多孔介质 格子Boltzmann方法 润湿边界格式 流动传热 蒸发 

摘      要：随着人类社会的不断发展,人类对淡水资源的需求越来越大,地球上的淡水资源被快速消耗,海水淡化技术成为解决地区间淡水资源供需不平衡和淡水资源匮乏的重要技术手段。在气隙扩散蒸馏装置中使用多孔介质作为蒸发器可有效降低装置的经济成本和提高淡水产量。深入了解多孔介质内流体的流动传热以及表面蒸发可以为提高气隙扩蒸馏装置中的淡水产量和能源利用效率提供重要理论依据。本文应用单相格子Boltzmann模型和相变格子Boltzmann模型分别研究单相流体在多孔介质内的流动传热和单组分液体在多孔介质表面的蒸发。在相变格子Boltzmann模型中引入新的润湿边界格式,并通过二维圆柱表面的静态接触角对其进行验证,有效提高了流体与固体接触角的精度和稳定性。应用单相格子Boltzmann模型探究单相流体在多孔介质中的流动传热:在符合达西定律的流动中,多孔介质内热流体与冷壁面的换热量随着孔隙率的减小逐渐增大;比较各向异性与各向同性的多孔介质的传热,发现当多孔介质内的流体流动方向与传热方向越接近,流体与冷壁面的换热效果越好;多孔介质内流体的流速越高,流体与冷壁面的换热效果越好,但入口流速的增加会使多孔介质内的流体质量增大,流体出口平均温度降低。应用相变格子Boltzmann模型研究多孔介质表面蒸发:对于水平放置多孔介质的表面蒸发,在多孔介质骨架的表面积一定时,横向和纵向孔径的大小可以改变多孔介质表面的气液接触面的大小,进而影响多孔介质表面的蒸发速率。当多孔介质是亲水性材料时,减小多孔介质骨架的接触角,多孔介质的蒸发速率会随之增大。当多孔介质骨架分布和形状相同时,增大多孔介质骨架的导热系数可以有效提高液体的蒸发速率。对于垂直放置多孔介质的表面蒸发,当多孔介质内液体的入口流速相同时,增大多孔介质的厚度会使液体的蒸发量减小;当多孔介质的厚度相同时,增大多孔介质入口流速,蒸发速率不一定增大,这取决于液体在多孔介质内的分布和流动状态;改变多孔介质内骨架的排列方式,在低流速下骨架叉排排列的多孔介质比顺排排列的多孔介质拥有更高的蒸发量。