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多孔介质通道发展传热的理论研究及数值分析

多孔介质通道发展传热的理论研究及数值分析

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作者：房关考上海工程技术大学

学位级别：硕士

近年来,以多孔介质作为媒介进行强化传热的研究备受关注,主要是表现为在各类机械相关设备上的应用,如太阳能储能器设计、换热器、化学物质反应设备、干燥设备、电子设备冷却等等。本文以空气为工作介质通过理论和数值相结合的方法在局... 详细信息

近年来,以多孔介质作为媒介进行强化传热的研究备受关注,主要是表现为在各类机械相关设备上的应用,如太阳能储能器设计、换热器、化学物质反应设备、干燥设备、电子设备冷却等等。本文以空气为工作介质通过理论和数值相结合的方法在局部热非平衡和常温边界条件下对多孔介质圆管和圆环通道进行了传热分析,所得结果为科学研究者和工业界提供了有价值的参考。首先,本文基于局部热非平衡条件下的圆管能量方程,对其进行无量纲化,忽略孔隙流体径向的热传导,运用数学物理方法中的分离变量法对能量方程进行求解,推导出固相和气相无量纲温度以及Nusselt数(Nu)的解析解。然后,利用多物理场耦合分析软件COMSOL Multiphysics对前面所得的无量纲温度以及Nusselt数进行验证。对比结果表明,COMSOL Multiphysics所得数值解和解析解十分吻合,从而证明了本文解析解的正确性。随后,对多孔介质圆管通道的无量纲温度和Nusselt数进行参数分析,分析固相和气相随着位置或者Peclet数(Pe)的变化规律,发现气固相的无量纲温度随着轴向坐标和径向坐标的增大而减小,随着Peclet数的增大而增大,最终都趋于零,并且固相的温度在减小到零之前始终小于相同位置下的气相温度;Nusselt数随着轴向位置坐标的增大而减小,而随着Peclet数的增大而增大,并在某一位置达到稳定值。最后,我们将多孔介质圆管通道的解析方法推广到多孔介质圆环通道,并推导出相应的解析解,并与相同条件下COMSOL Multiphysics所得数值解十分吻合。结果发现在多孔介质圆环通道中无量纲温度和Nusselt数随着坐标和Peclet数的变化趋势和圆管通道相同,并且圆环通道中的气固相温度低于相同位置下的圆管通道,而前者在入口处Nusselt数及其稳定值均高于后者。此外,对无量纲温度随圆管内径的变化进行了研究发现,内径愈大,无量纲温度愈低,Nusselt数愈高。借助COMSOL Multiphysics,考虑气相在径向方向上的热传导,并对相应的能量控制方程进行求解,所得结果表明,不论是多孔介质圆管通道还是圆环通道,无量纲温度和Nusselt数均小于不考虑气相径向热传导情况,但是变化趋势相同,结果相差不大。

关键词：多孔介质发展传热强迫对流局部热非平衡分离变量法

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空心通道与多孔介质圆管通道传热的理论分析和数值模拟

空心通道与多孔介质圆管通道传热的理论分析和数值模拟

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作者：钟家伦上海工程技术大学

学位级别：硕士

空心圆管和圆环通道作为当今最常见的通道模型,由于其结构简单,制造简便,应用广泛,常用于能源、电子以及太阳能等工程领域,空心通道的传热问题一直以来备受研究者们的关注。然而近年来,由于多孔介质模型的建立及其理论的发展,对于多孔... 详细信息

空心圆管和圆环通道作为当今最常见的通道模型,由于其结构简单,制造简便,应用广泛,常用于能源、电子以及太阳能等工程领域,空心通道的传热问题一直以来备受研究者们的关注。然而近年来,由于多孔介质模型的建立及其理论的发展,对于多孔介质通道中的流动和传热问题被广泛应用于诸多自然系统和工程实际中,如核废料贮藏,蓄能元,电子冷却,绝热,填充床换热器,热管,石油,地热系统,催化反应堆等,本文以空气作为工作介质通过数值模拟和理论分析相结合的方式分别对空心通道和多孔介质圆管通道的传热问题开展了研究,所得的结果对诸多工程实践和科学研究来说具有十分重要的参考价值。首先,本文通过分离变量法获得了壁面周向非均匀温度边界条件下空心圆管和圆环通道横截面内温度场的解析解,并分别对空心圆管和圆环通道模型进行了实例研究,基于实例研究中的解析解,开展了相关参数研究。然后,对入口非均匀温度边界条件所诱发的多孔介质圆管通道强迫对流传热的非对称问题,针对非局部热平衡模型下的双能量方程,利用分离变量法推导得到通道内部发展传热条件下固相和液相温度的解析解。随后,利用COMSOL Multiphysics软件对前面所得多孔介质圆管通道中固相和液相无量纲温度进行数值验证,结果表明该解析解与有限元数值解吻合良好。接着对多孔介质圆管通道的无量纲温度开展参数分析,分析固相和液相随着位置、Peclet数(P)以及Biot数(B)的变化规律,发现固相和液相无量纲温度都随着轴向坐标和径向坐标的增大而减小,随周向坐标呈周期性变化,P数增大会导致多孔介质圆管通道传热模型的发展传热段向充分发展传热段转变,同时固液两相间的温差随B数的增大而减小,作为极限情形,当B??时,LTNE模型退化为LTE模型。最后,利用COMSOL Multiphysics软件,考虑液相在多孔介质圆管通道横截面内的热传导,对该情况下的双能量方程进行求解,结果显示,多孔介质圆管通道内固相和液相无量纲温度均小于不考虑液相在多孔介质圆管通道横截面内的热传导情况,但是变化趋势相同,结果相差甚微。同时,对考虑Brinkman动量方程情况下的多孔介质圆管通道的传热问题开展了数值模拟研究,主要分析了Darcy数(D)和流体有效动力粘度与流体实际动力粘度之比M对速度场和温度场以及发展传热的影响,结果表明无量纲速度和无量纲温度随D数的增大而增大,随M的增大而减小,当D数增大时,多孔介质圆管通道发展传热段的距离增大,而充分发展传热段的距离减小,当M增大时则呈现出相反的趋势。

关键词：空心通道多孔介质圆管通道温度非对称非局部热平衡发展传热

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