文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123473
基于蒙特卡洛法的多孔介质热辐射特性研究
王幸智,于春亮,帅永,谈和平
哈尔滨工业大学能源科学与工程学院, 哈尔滨 150001
Tel: 0451-86412308, E-mail: ******@hit.
摘要:本文在保证孔隙率和空隙密度的前提下,通过圆球模型简化了多孔介质的几何结构,采用蒙特卡洛法直接模拟了多孔介质材料内部的辐射传输过程,建立了多孔介质的热辐射物性参数的表征模型,考察了孔隙率、特征尺寸等参数对多孔介质的热辐射特性的影响。研究结果表明,多孔介质的孔隙率和特征尺寸增大都有利于辐射在介质内部的传输,降低热辐射的衰减速率。
关键词:蒙特卡洛法,多孔介质,孔隙率,特征尺寸
0 前言
多孔介质是容积式吸热器中最重要的组成部分,是整个吸热器内部换热的核心部分。聚集后的太阳能通过辐射的方式将热量传递给多孔介质。由于聚集后的太阳辐射有很高的能流密度,会将多孔介质加热到1000℃以上[1],根据斯忒番-玻尔兹曼定律,高温状态下热辐射力与温度呈指数关系,此时辐射在整个换热过程中起到了关键性的作用。多孔介质的参与辐射的能力直接影响着整个吸热器的换热性能,因此对多孔介质内部辐射特性的了解是非常必要的[2-3]。考虑到多孔介质内部复杂的孔隙结构,辐射在其中输运特性类似于半透明介质中的传输特性,故一般地在求解多孔介质中的辐射时,都将多孔介质视为等效的半透明介质,其辐射特性可以通过实验或者经验公式来得到[4-6]。
由于多孔介质内固体骨架及孔隙结构非常复杂,建立与多孔介质内骨架结构完全相同的几何模型也较为困难。2009年法国的R. Coquard等人[7]通过激光闪光法(Laser-Flash)的到介质的温度图谱,并基于此得到介质的有效导热系数和热辐射特性(消光系数、散射系数等),实验结果与模拟结果吻合良好。要准确地对其内部的辐射传递问题进行描述就需要对其内部的几何参数有详尽的了解。国外一些学者[8-9]puted Tomography)对多孔介质进行扫描得到内部微细结构的几何参数,在此基础上对多孔介质内部的辐射问题进行求解。通过CT虽然可以得到相对比较准确的几何参数,但是得到实际的多孔介质的几何参数往往也是非常复杂的,要准确对其进行数学描述以及求解过程相对比较困难。而且由于多孔介质孔隙结构的复杂性,采用CT扫描得到的多孔介质内部微细结构的几何参数数据结构庞大,使用这些数据对多孔介质进行有关的数值计算需要大量的计算资源,这也制约了CT扫描几何参数法在数值计算中的运用。
本文通过对多孔介质内部微细结构进行简化的方式,使简化后的模型与实际的多孔介质有相同的宏观参数,采用蒙特卡罗法对简化后的多孔介质模型的辐射特性进行了直接模拟,求解得到几何体规则分布、随机分布多孔介质模型的相关辐射特性,并讨论了孔隙率和特征尺寸对衰减系数的影响。
基金项目:国家自然科学基金重点项目()和中国博士后科学基金项目()资助
1 计算模型
多孔介质是由固体骨架构成的固体,多孔介质在空间上相互联系,固体之间的空隙中充满其他流体介质。多孔介质的宏观多孔特性多通过孔隙率、孔隙数密度表示。孔隙率越大,表示孔隙所占份额越大;空隙密度越大,表