LTNE条件下界面对流传热系数对部分填充多孔介质通道传热特性的影响

在多孔介质区考虑局部非热平衡,采用Brinkman-extended Darcy模型结合应力跳跃条件对部分填充多孔介质通道内流体传热特性进行分析。获得了各区域温度分布及Nusselt数解析解,并分析了各参数对温度及Nusselt数的影响。结果表明:界面对流传热系数H_(s)较小时,界面应力跳跃系数β和Darcy数Da的增加会减小流固两相间温差。而在高H_(s)下,Da减小也会减小两相温差。在Da、H_(s)和固流两相热导率之比K较大且空心率S(自由流体区高度与通道高度之比)和Biot数Bi较小时,流固两相间会在接近多孔介质区中部出现最大温差,而该最大温差会随着S增加和Da及H_(s)的减小向界面区移动。对于不同K与Bi,Nusselt数Nu与S的关系曲线存在不同的类型,与模型A(界面处多孔介质固相和流相根据各自温度梯度和热导率划分总热流)不同的是,采用模型C(界面处固相热流分配与自由流体区流相的热交换相关)所获得的Nu曲线类型与H_(s)有关。在K较小时,β对Nu的影响大于H_(s)对Nu的影响;而在K较大时,H_(s)对Nu的影响要远大于β对Nu的影响,且H_(s)增加会明显提高通道内的Nu。

嵌入不透水球体复合多孔介质渗流场分析

嵌入不透水球体的复合多孔介质广泛存在于地下水渗流领域,由于不透水球体的影响,多孔介质中的水在流经不透水球体时发生绕流,且距离球体越近绕流现象越明显。为求解该复合介质的渗流场和等效渗透系数,在球坐标系下采用非线性Brinkman-extended Darcy方程,以无穷远处单向来流均匀和球面不滑移条件作为边界条件,求解出球体周围渗流流速与压强的解析解。分析该解析解表达式可知,此复合介质渗流场流速和压强分布与多孔介质基质的渗透率和地下水动力黏滞系数有关。在此基础上对渗流场流速进行积分,求出了Darcy流平均流速,并将平均流速表达式与Darcy公式表达式进行对比,得出等效渗透系数表达式,并理论证明球体与多孔介质的相对尺寸是影响复合介质等效渗透系数的最主要因素。最后以一定级配的砂作为多孔介质基质,用直径分别为4、6、8 cm的3种有机玻璃球体作为不透水球体,自制试验装置,开展嵌入不透水球体复合多孔介质的常水头渗流试验。试验通过控制多孔介质基质的压实度来保证其渗透系数基本不变,改变填充在多孔介质基质中的不透水球体进行渗流试验,对每一个不透水球体分别进行3组试验,取平均值作为试验结果。试验结果与理论计算的等效渗透系数值误差较小,验证了所推求嵌入不透水球体复合多孔介质渗流场的正确性。

部分充填裂隙网络岩体的渗透特性分析

为研究充填裂隙网络岩体的渗透特性,结合Navier-Stokes方程和Brinkman-extended Darcy方程,构建了部分充填条件下的单裂隙渗透模型,推导了单裂隙渗流场分布特征,给出单裂隙渗流量的解析解,无充填的情况下该解析解可简化为立方定理表达式;后基于裂隙网络渗流原理,构建含充填介质裂隙岩体渗流网络的数学模型,并通过算例探讨了充填介质对裂隙岩体渗透特性的影响。算例结果表明:在相同裂隙宽度条件下,相比于立方定理,利用半充填裂隙岩体数学模型计算得到的渗流量减少约36.44%,充填介质对裂隙渗透特性具有显著影响;并且随着充填介质渗透率K减小、裂隙填充比β增大,裂隙渗流量逐渐减小。同时充填物的存在会导致充填裂隙的水力比降增加,进而渗流流速增大,局部发生冲刷侵蚀破坏的可能性提高,影响裂隙岩体的整体强度。