文档介绍：华中科技大学
博士学位论文
多孔介质相变传热与流动及其若干应用研究
姓名:黄晓明
申请学位级别:博士
专业:工程热物理
指导教师:刘伟
20040429
华中科技大学博士学位论文
摘要
伴随相变发生的多孔介质多相流动的热质传输问题近年来出现在许多科学和工
程技术领域中,包括土壤学,石油储油工业,地下水去污工程,热管技术,干燥工艺,
颗粒材料处理,涓流反应器以及地热储工业等。多年来,传统的多孔介质中的多相流
模型都是基于一般化的达西定律。但是,达西定律仅适用于雷利数较小的流动过程,
其次,这种繁杂的模型在用于多相流的流动传输过程分析时,计算最大大增加。木文
的主要目的就是发展和求证一个新的处理多孔介质多相流热质传输问题的模型,从分
析含湿多孔介质内部湿分和热量的输运机制出发,应用连续介质力学和局部容积平均
技术,引入了能够较全面描述含湿饱和多孔介质内热质传递现象的一般数学模型。
新的模型由于能够全面反映复杂的流动过程中所涉及到的各种驱动机制,因而具
有一定通用性,且模型中各方程形式上类似,均可化为统一的一般形式,在数值计算
上有较大便利。本文应用此模型对两个主要工业应用领域的多孔介质多相流进行了数
值模拟和结果分析。其一为土壤学,建筑材料节能以及干燥工业中常见的多相流问题,
包括液体、蒸汽以及不凝性气体流动。这类问题的主要特点是蒸汽不仅随着不凝性气
体在压力梯度的驱动下做整体运动,还有相对于蒸汽相对于整体运动的扩散运动。其
二则为能量转换和电子冷却领域中常见的多孔介质两相流动问题。这类问题的主要特
点则是一般伴随较大的热流,多孔介质内流体多处于强迫对流下,初始状态为液饱和
的液体在受热后逐渐升温到发生相变,当热流足够大时,还会出现部分蒸干区域,因
此在多孔芯中流动的流体会出现两层甚至三层分区饱和液体区,两相区以及饱和蒸
汽区。
对于前者,本文选取了具有典型实际应用意义的矩形封闭腔内流体的自然对流进
行了计算并做出理论分析。计算结果表明,高数下封闭腔内流体流动与传热特征、
达西效应、导热比等对空腔传热系数均有较大影响。同时,根据对其传热的特性分析
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表明,只有当数较小时,达西机制对传热的效果比较大,而当数较人时,传热
效果受达西机制影响较小。另外,本文首次提出了利用相变多孔介质强化传热的被动
式太阳能建筑节能系统,该系统仅消耗低品味太阳能,不需提供额外的动力,且具有
高传热性能,因而有较大节能意义。通过对蒸发器多孔芯热质传输过程的数值模拟计
算,得到了不同边界条件下多孔床内部温度、蒸发量、流函数场分布,并比较了不同
边界条件对蒸发器传热效果的影响。结果表明保持内边界为定壁温,有利于更好地吸
收外界太阳能而保持内边界绝热,有利于提高系统的吸执扮率。
对于多孔介质两相流问题,木文首先对传统上习惯采用的几种分层数学模型进行
了分析和讨论,并在前述理论基础上给出了新的两相流三层模型,最后应用新数学模
型对毛细抽吸两相回路的蒸发器多孔芯内流体的热质传输过程进行了数值模拟计算。
针对不同热流,计算结果也有较大不同。在加热板热流较小时,多孔层中没有千饱和
区的出现,流体的流动大致分为两层液饱和层和汽液两相非饱和层当热流增大到
一定程度,多孔芯中开始出现干饱和区,流体的流动则分为三层液饱和区,两相非
饱和层以及干饱和区。与目前所能够得到的文献资料相对比,所得计算结果有较好的
吻合性,从而说明了本文理论模型计算的准确性,并得出结论,在多孔介质两相流中
考虑非饱和层是必要的。
为进一步通过实验验证模型的准确性,本文还给出了实验台架的设计思路,
并对整体分析方法以及系统仿真进行了讨论。
本文研究接受国家重点基础研究发展规划项目资助。
关键词多孔介质,相变,传热传质,封闭腔,建筑节能,
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作及取得的研究成果。尽我所知,除文中已经标明引用的内容外,本
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文的研究做出贡献的个人和集体,均己在文中以明确方式标明。本人
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学位论文作者签名黄晓明
年月‘,日
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