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:123518
部分填充多孔介质平板通道强化
传热的优化分析
郭玉龙,马兵善,王刚
(兰州理工大学土木工程学院,兰州 730050)
(Tel: 0931-2973784, E-mail: wang_g@)
摘要:对部分填充多孔介质的平板通道内的强制对流换热进行了数值研究,着重分析了多孔介质填充位置和Re数对通道内流动和换热综合性能的影响。数值模拟结果表明:随着Re数的增大,Nu数和流动阻力系数都不断增大,综合换热效率明显减小;当Re数不变时,随着多孔介质区域底面到平板通道下壁面无量纲距离的增大,Nu数也不断增大,流动阻力系数先增大后减小。
关键词:强制对流;多孔介质;平板通道;数值模拟
0 前言
多孔介质中流体的流动和传热在工程实际中具有广泛的应用背景[1],如石油/天然气的开采、球床燃烧炉、食品干燥、高性能电子元器件的冷却等。多孔介质内固体骨架与流体表面接触面积大且流体扰动性强[2],一直都被认为是最有效的强化换热手段之一。
近年来,许多学者对多孔介质强化通道内的强制对流换热进行了研究。Vafai等[3]对充满多孔介质的平板通道强制对流换热进行了研究,发现填充多孔介质后换热得到了明显强化,但是多孔介质在强化传热的同时,也大大增加了流动阻力。Hadim等[4]对有局部热源的平板通道强制对流换热进行了研究,并且比较了完全填充与部分填充多孔介质时的Nu数和压降,结果表明部分填充多孔介质不仅换热显著增加,且与完全填充的平板通道相比,其压降大幅减少。综合换热和流动两方面的因素,许多研究者逐渐将注意力转移到部分填充多孔介质强化传热的研究。Sung等[5]采用局部热平衡模型对填充多孔物块的平板通道强制对流换热进行了数值研究,结果表明在强化换热的同时,克服了完全填充多孔介质时压降较大这一弊端。
为进一步研究部分填充多孔介质对平板通道内强制对流换热的影响,本文对部分填充多孔介质平板通道内的层流强制流动换热进行数值研究,在平板通道内距通道下壁面不同位置处填充等截面积的多孔介质时,重点研究不同Re数和不同填充位置对通道内流动换热特性的影响。由于多孔介质内部结构的复杂性和不确定性,应用体积平均法,在多孔介质区和纯流体区内分别采用Brinkman-Forchheimer扩展Darcy模型[6](简称BDF模型)和N-S方程描述各自区域内的流动,对填充率为50%的多孔介质平板通道内的流动和传热进行研究。
资助项目:甘肃省自然科学基金项目(1014RJZA030)
1物理问题描述与数值方法
物理模型如图1所示,通道长为L,高为H,多孔介质的填充率为50%(),在垂直方向上多孔区到平板通道下壁面的距离为h。通道上壁面绝热,下壁面作用有均匀热流qw,多孔区与纯流体区的交界面是可渗透表面。通道入口处流体的速度已充分发展,且流体进口平均速度为Uin,流体进口温度为Tin。
图1 物理模型与坐标系统
本文的研究用到以下简化及假设:(1)多孔介质为均匀、各项同性的饱和介质;(2)流体为不可压缩;(3)对流传热为定常;(4)流体和多孔介质的物性均为常物性;(5)忽略质量力;(6)忽略多孔介质热弥散效应和粘性耗散;(7)忽略入口段的长度,因而认为通道入口处流体的流动已处于充分发展状态;(8)多孔介质