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中国石油大学学报（自然科学版） 2019年第1期43卷 90-98页

作者：曲占庆张伟郭天魁孙江巩法成田雨李小龙中国石油大学(华东)石油工程学院山东青岛266580

采用压裂技术在干热岩中构造裂缝网络,工作流体在裂缝内的循环携热使干热岩中高温资源得到有效提取。为真实模拟岩体与流体间能量传递,基于局部热非平衡理论,将储层视为由基质岩体与离散裂缝组成的双重介质模型,建立温度-渗流-应力全耦... 详细信息

采用压裂技术在干热岩中构造裂缝网络,工作流体在裂缝内的循环携热使干热岩中高温资源得到有效提取。为真实模拟岩体与流体间能量传递,基于局部热非平衡理论,将储层视为由基质岩体与离散裂缝组成的双重介质模型,建立温度-渗流-应力全耦合模拟采热过程中流体流动、热量传递、岩体变形的相互作用,进而对不同注采井网和模型参数下采热性能进行研究。结果表明:干热岩资源开采过程的模拟有必要采用温度-渗流-应力耦合,裂缝分布的非均匀性对采热性能有影响;注采井网的合理布局有利于地热能大规模动用与高效开发;基岩热膨胀系数影响温差引起的热应力作用从而影响采热性能;合理选择注采压差有利于开发,压差过大将缩短开发寿命,注入温度越高采热速率越高。

关键词：干热岩离散裂缝网络温度-渗流-应力耦合局部热非平衡注采井网

局部热非平衡多孔介质圆管非达西强迫对流换热分析

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上海工程技术大学学报 2021年第2期35卷 171-177页

作者：岳飞龙李培超上海工程技术大学机械与汽车工程学院上海201620

对流体饱和多孔介质圆管内局部热非平衡情形下非达西强迫对流的换热性能进行数值模拟.首先利用Brinkman流动模型和局部热非平衡模型建立研究问题的数学模型,预测强迫对流换热.然后使用COMSOL Multiphysics仿真软件对模型求解,获得无量... 详细信息

对流体饱和多孔介质圆管内局部热非平衡情形下非达西强迫对流的换热性能进行数值模拟.首先利用Brinkman流动模型和局部热非平衡模型建立研究问题的数学模型,预测强迫对流换热.然后使用COMSOL Multiphysics仿真软件对模型求解,获得无量纲渗流速度场、固体骨架温度场、流体温度场和努塞尔数(Nu).此外,详细分析Nu对某些关键参数的依赖性.研究发现,随着达西数(Da)和毕渥数(Bi)的增加,Nu先增加后趋于渐近值;贝克来数(Pe)的增加会导致Nu单调增加;相反,流体有效热导率与固体骨架有效热导率之比(即导热比κ)和流体有效动力黏度与实际动力黏度比(即黏度比M)的增加将导致Nu先减小后趋于渐近值.所得模型和数值结果既可用于提高工程中多孔介质圆管换热能力,也可为相关实验和解析研究提供参考.

关键词：多孔介质圆管非达西强迫对流数值解努塞尔数局部热非平衡

石墨泡沫/共晶盐复合相变材料制备及其储能单元模拟研究

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石墨泡沫/共晶盐复合相变材料制备及其储能单元模拟研究

作者：胡高林郑州大学

学位级别：硕士

太阳能热发电系统是太阳能利用的重要方式。但太阳能受环境因素影响较大,为提高热发电系统稳定性及其利用效率,亟需开发新型有效的高温储能系统。论文在此研究背景下,首先利用石墨泡沫的高导热性,制备出适用于太阳能热发电储能系统的石... 详细信息

太阳能热发电系统是太阳能利用的重要方式。但太阳能受环境因素影响较大,为提高热发电系统稳定性及其利用效率,亟需开发新型有效的高温储能系统。论文在此研究背景下,首先利用石墨泡沫的高导热性,制备出适用于太阳能热发电储能系统的石墨泡沫/共晶盐复合相变材料,并通过实验研究了其稳定性能;然后采用数值模拟方法对其储能单元分析,研究了复合相变材料储能过程;最后以总熔化（凝固）时间和总平均热流密度为考核指标对储能单元性能影响因素进行分析评判。纵观全文,得出以下结论:（1）经20次、50次、100次热循环测试,制备的石墨泡沫/共晶盐的泄漏量分别为0.33%、2.99%、4.60%,且材料物质结构几乎没有变化。结果表明该复合相变材料在使用中具有较强的稳定性,使用周期长,应用价值高。（2）对纯共晶盐与石墨泡沫/共晶盐相变过程模拟研究发现:石墨泡沫/共晶盐导热系数高,减少了总熔化（凝固）时间,提高了相变过程传热速率;石墨泡沫的局部热非平衡模型对显热温度场影响极低,对相变过程温度场影响较大;局部热非平衡模型能够客观的反映复合相变材料的相变过程,更能从机理解释石墨泡沫/共晶盐相变过程中能量的传递;石墨泡沫的加入,降低了共晶盐的储能量,但总熔化（凝固）时间显著地缩短。提出总平均热流密度的概念,分析了相变过程中总平均热流密度的变化,从换热利用效率角度分析储能单元中石墨泡沫对共晶盐的有利性。（3）以总熔化（凝固）时间和总平均热流密度作为储能单元性能的考核指标,分析传热流体进口温度、进口速度,储能单元的管长、管间距,相变材料的孔隙度等影响因素对相变过程储能单元性能的影响。研究总结了上述因素与总熔化（凝固）时间的变化规律,并分别拟合得到总平均热流密度与上述因素的模拟关联式。（4）随着孔隙率的增大,总熔化（凝固）时间增大,总平均热流密度先增大后减小,存大一个极大值点,此时相变储能单元表现出最佳的储能特性,极大值点对应的孔隙度为0.711,拟合得到总平均热流密度与孔隙度的关联式为:熔化时,2q??23034.7??33044.8??2304.6;凝固时,2q?24027.3??34089.4??2326.6。

关键词：石墨泡沫稳定性局部热非平衡数值模拟总平均热流密度

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泡沫陶瓷内热输运现象的数值模拟研究

工程热物理学报 2013年第12期34卷 2396-2400页

作者：陈仲山刘宏升解茂昭贾明刘红大连理工大学能源与动力工程学院辽宁大连116024

本文以Weaire-Phelan泡沫模型为基本骨架,构建了理想化的泡沫陶瓷几何模型.采用周期性边界条件,通过直接模拟,给出了多孔介质局部热非平衡模型所需要的体平均努塞尔数和雷诺数之间的基本关系Nu_d=0.26Re_d^(3×10^(-4)a_i+0.61).数值结... 详细信息

本文以Weaire-Phelan泡沫模型为基本骨架,构建了理想化的泡沫陶瓷几何模型.采用周期性边界条件,通过直接模拟,给出了多孔介质局部热非平衡模型所需要的体平均努塞尔数和雷诺数之间的基本关系Nu_d=0.26Re_d^(3×10^(-4)a_i+0.61).数值结果表明:主流方向对压力降和对流传热的影响很小。陶瓷骨架的存在使很小的本征速度产生很强的空间扰动。当流动为湍流时,比表面积是影响对流换热系数的主要因素.孔尺度下,采用数值模拟方法计算的压力降与实验关联式的预测值基本吻合。比较文献中多种关系式的计算结果,本文推荐使用修正的Ergun方程和Richardson等人给出的实验关联式计算压力降.

关键词：泡沫陶瓷局部热非平衡 Weaire—Phelan模型热弥散张量

基于LTNE的二维饱和多孔介质平板热流固完全耦合数值分析

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上海工程技术大学学报 2022年第1期36卷 83-90页

作者：戴倩岳飞龙李培超上海工程技术大学机械与汽车工程学院上海201620

针对目前多孔介质热流固耦合数学模型多为不完全耦合模型,且物理模型多为一维或一维轴对称模型的现状,对二维饱和多孔介质平板热流固完全耦合问题进行数学建模和数值分析.采用强耦合方式实现热流固3个物理场的完全耦合.在平板左侧施加3... 详细信息

针对目前多孔介质热流固耦合数学模型多为不完全耦合模型,且物理模型多为一维或一维轴对称模型的现状,对二维饱和多孔介质平板热流固完全耦合问题进行数学建模和数值分析.采用强耦合方式实现热流固3个物理场的完全耦合.在平板左侧施加30℃流体和固体温度边界条件及固定位移边界条件,平板其他边界温度场和位移场假设为自然边界条件,平板四周加载0 Pa的孔隙压力边界条件.利用COMSOL Multiphysics有限元分析软件的偏微分方程(PDEs)模式实现上述完全耦合模型的求解,得到渗流场、应变场以及双温度场的数值解.数值结果表明,随时间增加,流体和固体温度、应变及孔隙压力沿x轴方向传递,同时发现x轴方向应变远大于y轴方向应变.此外,随时间增加,y轴方向应变和孔隙压力最大值逐渐减小.研究建立的数学模型和数值解有助于深入认识二维饱和多孔介质热流固完全耦合力学行为.

关键词：饱和多孔介质二维平板热流固完全耦合局部热非平衡数值解

多孔介质冷冻干燥中平衡与非平衡现象的数值模拟研究

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多孔介质冷冻干燥中平衡与非平衡现象的数值模拟研究

作者：姬艺佳大连理工大学

学位级别：硕士

冷冻干燥是一个复杂的质热耦合多相输运过程。准确地预测湿份在含湿多孔介质中的输运行为依然是一个具有挑战性的课题。本文基于局部热非平衡和/或局部质量非平衡假设,分别建立了局部质量平衡—局部热平衡(LME-LTE)、局部质量非平衡—... 详细信息

冷冻干燥是一个复杂的质热耦合多相输运过程。准确地预测湿份在含湿多孔介质中的输运行为依然是一个具有挑战性的课题。本文基于局部热非平衡和/或局部质量非平衡假设,分别建立了局部质量平衡—局部热平衡(LME-LTE)、局部质量非平衡—局部热平衡(LMNE-LTE)、局部质量非平衡—局部热非平衡(LMNE-LTNE)的初始饱和(S=1.00)/非饱和(S=0.28)多孔介质冷冻干燥的多相输运数学模型,使用基于有限元法的COMSOL Multiphysics软件平台数值求解动量、热量和质量同时传递的非线性、非稳态偏微分控制方程。模拟结果与课题组发表的文献数据比较,以验证输运过程中平衡与非平衡现象对模型预测结果的准确性。结果如下:数值模拟结果再现了实验条件下甘露醇水溶液的冷冻干燥过程,模拟计算得到的局部质量非平衡—局部热平衡干燥曲线与实验结果最为吻合。多孔介质的特性显著影响LMNE效应与LTNE效应。在低初始饱和度物料中,质量非平衡效应更为贴近实际现象;在初始饱和物料中,热非平衡假设与热平衡假设的差异更明显。因此,局部质量平衡—局部热平衡(LME-LTE)模型能够得到满意的模拟结果;质量非平衡假设较质量平衡假设对模型进行了优化,局部质量非平衡—局部热平衡(LMNE-LTE)模型进一步提高了模拟结果的准确性;局部热非平衡现象在冷冻干燥中不显著,局部质量非平衡—局部热非平衡(LMNE-LTNE)模型在现有条件计算下,适用性较低。温度与饱和度的分布密切相关,冷冻干燥是一个质热耦合的传递过程。在典型操作条件下,初始非饱和物料的相对干燥速率较大,预制孔隙有利于加快干燥速率。同时,对干燥过程的特性变量,分析影响因素,其与初始饱和度数值、孔径、饱和度变化有关。由传质速度与雷诺数的量级可知,对流传热占次要位置。控制非饱和物料干燥率的因素是传热。控制饱和物料干燥速率的因素是传质。

关键词：局部质量平衡局部热非平衡冷冻干燥多孔介质数值模拟

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发汗冷却数值模拟方法及在涡轮叶片中的应用

发汗冷却数值模拟方法及在涡轮叶片中的应用

作者：付祥卿哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

现代先进燃气轮机对功率和效率要求的进一步提升,使得燃气轮机部件热环境更加恶劣,因此亟待高性能的冷却技术出现。外部冷却(对流冷却、气膜冷却、发汗冷却)作为燃气轮机高温部件的重要冷却方式,因其良好的冷却性能被广泛应用在涡轮叶... 详细信息

现代先进燃气轮机对功率和效率要求的进一步提升,使得燃气轮机部件热环境更加恶劣,因此亟待高性能的冷却技术出现。外部冷却(对流冷却、气膜冷却、发汗冷却)作为燃气轮机高温部件的重要冷却方式,因其良好的冷却性能被广泛应用在涡轮叶片表面。发汗冷却作为未来先进燃气轮机采用的更为有效的主动热防护冷却方式,结合气膜冷却方式的优点和多孔介质材料特性,均匀分散冷却流体出流,利用多孔介质较大的比表面积和内部体积提供充分的换热空间,有利于实现大面积且可重复使用的热防护,并且可以将承热部分的冷却结构和承力结构分开,承受一定力量冲击。本文以发汗冷却为主要研究对象,利用实验数据验证局部热非平衡模型的准确性,在局部热非平衡模型下,对多孔介质受限层流冲击射流流动换热性质进行研究、采用Realizable k-ε湍流模型对简化的平板发汗冷却的冷却效率进行研究,并在k-ω-SST湍流模型下对气冷涡轮叶片表面应用发汗冷却的冷却效率进行研究。首先针对受限平板冲击射流冲击多孔介质平板,探究了局部热非平衡模型模拟多孔介质中流动传热的准确性,分析了改变入口Re数、Da数、多孔介质材料孔隙率以及多孔介质平板厚度对流动换热的影响。模拟结果表明:局部热非平衡模型在对平板冲击射流模拟中,在冲击滞止区域对传热模拟准确度比局部热平衡模型好一些。铺入多孔介质可以有效改善通道内流动结构,增大入口Re数、Da数更大更有利于滞止区域流动换热,孔隙率对通道内流动换热影响不明显。然后在平板气膜冷却的气膜孔表面覆盖多孔介质,利用局部热非平衡模型探究平板发汗冷却流动传热情况。模拟结果表明:在靠近气膜孔下游,局部热非平衡模型对平板发汗冷却的冷却效率和摩擦系数的模拟结果比局部热平衡模型效果更明显。并用局部热非平衡模型探究了平板气膜冷却和在气孔表面平铺多孔介质的发汗冷却的冷却效率差异,改变吹风比、孔隙率、Da数对发汗冷却流动换热的影响。发汗冷却相对于气膜冷却,有抑制抬升、平均冷却气流的作用,有效的提高了冷却效率,且随着孔隙率的减小、Da数的减小对发汗冷却效率略有提升。最后基于平板发汗冷却的研究结果,利用局部热非平衡模型对GE-E涡轮叶片表面平铺多孔介质的发汗冷却换热情况进行模拟,并与气膜冷却换热情况进行对比。模拟结果表明:使用发汗冷却的涡轮叶片比气冷涡轮叶片更有效的抑制了冷却剂的抬升,冷却剂在气孔两侧及下游延展,增大了冷却气膜面积,强化了冷却效果。改变吹风比,发汗冷却随着吹风比增大而增大,气膜冷却随着吹风比增大先增大后减小。相同吹风比下,发汗冷却的冷却效率和冷却面积要比气膜冷却大。孔隙率减小对涡轮叶片发汗冷却效果有改善。

关键词：发汗冷却多孔介质局部热非平衡流动传热

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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

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

格子Boltzmann方法模拟泡沫金属内相变材料热传导融化传热过程

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热科学与技术 2011年第1期10卷 6-11页

作者：杲东彦陈振乾东南大学能源与环境学院江苏南京210096 南京工程学院能源与动力工程学院江苏南京211167

基于局部热非平衡条件下泡沫金属内热传导融化相变传热的非线性双温度方程,在表征单元尺度上构建双温度分布函数格子Boltzmann模型,其中相变非线性源项处理采用焓法迭代求解。数值模拟了金属骨架与相变材料的温度分布情况,重点分析了孔... 详细信息

基于局部热非平衡条件下泡沫金属内热传导融化相变传热的非线性双温度方程,在表征单元尺度上构建双温度分布函数格子Boltzmann模型,其中相变非线性源项处理采用焓法迭代求解。数值模拟了金属骨架与相变材料的温度分布情况,重点分析了孔径、金属骨架与填充材料热传导比和Stefan数等对局部热非平衡效应的影响。模拟结果表明,孔径越大、金属骨架与填充材料热传导比越大,局部热非平衡效应越明显;相变过程的存在,加大了局部热非平衡效应,并且Stefan数越低局部热非平衡效应则越大。

关键词：格子Boltzmann方法融化相变材料泡沫金属局部热非平衡