骨架发热多孔介质方腔内非达西自然对流的数值研究

本文利用局部非热平衡模型,对骨架发热多孔介质方腔内的非达西自然对流进行了数值研究。方腔上下壁面绝热、左右壁面维持恒温T0。采用Brinkman-Darcy-Forchheimer模型来描述多孔介质内的流动,当有效导热系数比(0.001≤γ≤1.0)和无量纲容积换热系数(1.0≤H≤1000)在较宽的范围内变化时,计算研究了不同的有效导热系数比和无量纲容积换热系数对方腔内流动换热的影响。数值模拟结果表明:在有效导热系数比γ=1.0和无量纲容积换热系数H=1000时,局部热平衡模型是成立的;而对其他情形,必须采用局部非热平衡模型才能准确地预测出方腔内的流动换热特性。

骨架发热多孔介质竖直通道内强制对流换热数值研究

采用局部非热平衡模型,在层流范围内对骨架发热多孔介质竖直通道内的非达西强制对流换热进行了数值研究。采用Forchheimer-Brinkman拓展Darcy模型描述多孔介质内的流动,详细研究了表观雷诺数Re(0.5≤Re≤50),有效导热系数比Γ(0.001≤Γ≤1.0)和Da(10-3≤Da≤10-5)变化对多孔介质流道内流动换热的影响。计算结果表明:Re、Γ和Da变化对流道内流动换热影响显著;当Re、Γ较小而Da较大时,多孔介质流道内局部非热平衡效应明显,必须采用局部非热平衡模型才能对流道内的对流换热特性进行合理准确的预测。

骨架发热多孔介质内单相水流动传热实验研究

针对骨架发热多孔介质内单相水流动阻力和传热特性开展了实验研究,拟合获得骨架发热多孔介质内热态流动阻力和对流换热关系式。实验参数范围是:雷诺数Re取127～394,表面热流密度12～62 kW/m2。实验结果表明:在本文研究的孔隙有效雷诺数范围内,惯性项阻力系数Rf受流动参数影响;基于骨架发热条件下获得的阻力关系式具有较好的扩展性,可以较好地预测骨架不发热条件下多种几何结构的多孔介质通道内单相水、单相蒸汽流动阻力;随着表面热流密度增大,对流换热系数不断降低;在相同热流密度条件下,随着质量流速的增大,对流换热系数也会随之增大。

骨架发热多孔介质通道内单相流阻力与换热特性数值模拟

以Fluent 6.3为平台,采用局部非热平衡模型,对紊流及紊流过渡区范围内骨架发热多孔介质竖直通道内的非达西强制对流换热进行了数值模拟。采用三维N-S方程及标准k-ε湍流模型描述多孔介质内的流动,详细研究了孔隙有效雷诺数Re(400<Re<2000),表面热流密度q(q=5、30和90 kW/m2)和冷却剂入口温度Tin(Tin=20、50和80℃)的变化对多孔介质流道内流动阻力及换热特性的影响。结果表明:低热流密度下,表面热流密度的变化对流动阻力和换热系数的影响很小;小球直径对换热系数的影响显著,且随着雷诺数的增加而增加;换热系数随冷却剂入口温度的增加而减小。

双分散多孔介质圆管通道中骨架发热对强迫对流传热的影响

多孔介质填塞是传热强化的有效方法之一。与单分散(普通)多孔介质相比,双分散多孔介质含有多孔骨架相和裂纹相,流体充满裂纹相(大孔隙)和多孔骨架相内小孔隙,因此具有更大的比表面积。基于双速度-双温度模型,分析了恒热流边界条件下双分散多孔介质圆管通道的强迫对流传热,并推导了两相的无量纲温度以及Nu的解析解。参数分析表明,多孔骨架发热会在通道壁-双分散多孔介质交界面上出现热流(温度梯度)分岔现象,并从数学和传热学角度阐释了其发生机理。在骨架吸热情形下,单分散和双分散多孔介质通道的Nu均呈现不连续特征,而对于双分散多孔介质通道,当有效导热系数比较大时,这种不连续特征仅出现在骨架生热情形。并且分析了Nu的渐近行为。