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:123533
颗粒接触模型对有序堆积床流动换热影响的数值研究
步珊珊,杨剑,李师阳,王秋旺* 资助项目:国家自然科学杰出青年基金资助项目(No:51025623),国家自然基金资助项目(No:51106126), 国家重点基础研究发展计划资助(973项目:2012CB720402)。
(西安交通大学能源与动力工程学院热流科学与工程教育部重点实验室,西安 710049)
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摘要:本文数值研究了不同的接触模型对颗粒有序堆积多孔介质内的流动换热的影响。在堆积多孔介质的数值计算中,球与球之间的接触区域的网格控制是比较困难的,需要进行一定的简化处理。本文详细研究了现有的三种颗粒接触模型-间隙模型,短圆柱模型以及面接触模型对有序堆积床(简单立方堆积SC,)宏观流动换热特性的影响,实验结果发现短圆柱模型得到的数值计算结果与实验结果相符最好;三种模型在堆积床层流流动换热的数值结果相近;间隙模型在湍流情况下引入的误差较大。
关键词:颗粒有序堆积;接触模型;对流换热;数值研究
0 前言
颗粒堆积多孔介质内的对流换热在实际工程中有着广泛的应用背景,如:球床气冷堆堆芯元件的设计与安全运行、球床燃烧炉、紧凑式蓄热器以及化学接触式反应器的性能优化等。在颗粒堆积多孔介质的数值研究中,堆积颗粒之间的接触区域的网格控制是很困难的,通常会针对接触区域做一定的简化,便于生成高质量的网格。现有文献中,间隙模型应用最为广泛。Calis等人[1]在数值计算研究不同有序堆积床的压降特性中,将堆积球颗粒直径缩小至原来的99%,这样实际的点接触被1%球直径的间隙所代替。在这篇文献中,通过比较两种不同的间隙(原来球直径的1%和2%)的数值计算结果,%,证明了间隙模型对数值计算结果引入的误差较小。但是,接触模型与非接触模型有本质上的区别,仅仅比较两种不同尺寸的间隙模型的数值计算结果是不能够说明间隙模型的可靠性的。Nijemeisland 和Dixon[2]通过四种不同尺寸(%, 99%, 97%, 95%)的间隙模型与点接触模型做了数值计算的比较,结果发现99%的间隙模型得到的数值计算结果相符最好。但是他们的计算工况是层流,在湍流工况下,间隙模型的结果也许会产生较大误差。由于间隙模型的易操作性,这种模型得到了广泛的应用。除了间隙模型之外,Guardo等人[3]采用了面接触模型来控制接触区域的网格生成。Ookawara等人[4]采用了短圆柱链接模型在接触区域生成较高质量的网格。最近,Eppinger T[5]提出了一种类似于间隙模型的处理方法,与间隙模型不同的是,球颗粒直径不变,当两个颗粒之间的距离小于设定值时,球的局部表面会变得平缓,这样接触区域会产生一定的间隙。
本文是在本课题组杨剑等人的工作基础[6,7]之上,数值研究不同的接触模型对有序颗粒堆积床的宏观流动换热的影响。
1数值计算模型
本文主要研究不同接触模型对三种有序堆积结构的流动换热影响。三种有序堆积结构单元简单立方单元结构(SC),体心立方单元结构(BCC),面心立方单元结构(FCC)如图1 所示。为了保证流动