多孔介质导热特性对复合腔体自然对流影响的数值模拟研究 戴振宇.docVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：143699 多孔介质导热特性对复合腔体自然对流影响的数值模拟研究 戴振宇1,2,3，陈宝明1,2,3，刘芳1,2,3，温青梅1,2,3，郑新龙4 （山东建筑大学热能工程学院,济南250101;2.可再生能源建筑利用技术省部共建教育部重点实验室,济南 250101;3.山东省可再生能源建筑应用技术重点实验室，济南 250101；山东鲁新设计工程有限公司，淄博 255000） （TelEmail：ckdllj@163.com） 0,80）范围内随着多孔介质导热性的增强，流体温度、流速增大，交界面处速度滑移系数呈现一定的减小趋势。 关键词:多孔介质；自然对流；滑移特性；导热特性 1背景 由多孔介质和流体组成的复合区域中会存在固液之间的流体流动及传热传质现象，研究多孔介质与流体组成的复合区域的传热传质规律有着广泛的应用背景[-6]。例如，在建筑业中墙体保温等多孔介质材料内部空气的传热传质对保温效果有明显的影响；在工业生产中，废水注入到地下引起的地下土壤中污染液流动和传热传质，会影响到地下水水质等。对这种复合区域自然对流的研究对指导解决社会自然等重大问题有极为重要的意义[2]。D. Gobin, B. Goyeau等研究了渗透率、瑞利数和多孔介质层厚度对部分填充多孔介质区域的传热传质的影响。R. Bennacer等对左右壁面貼付保温多孔介质材料的复合腔体模型内自然对流情况进行了数值研究。国内hen和对图1为本文研究的部分填充多孔介质的复合方腔，腔体长宽L为50mm，左壁面高温，温度为Th，右壁面低温，温度为Tl，上下壁面绝热。 本文中腔体内流体密度随温度的变化规律符合Boussinesq假设，即 式中，βT是由温度差引起的体积膨胀系数，K-11为流体不同温度下的密度, kg/m3,定义如下， ；速度分量无量纲化，；压力无量纲化，；温度无量纲化， 将以上无量纲表达式带入多孔介质区域和流体区域的连续性方程、动量方程和能量方程中，得到多孔介质填充部分区域的无量纲控制方程如下式 多孔介质区域， （3） （4） （5） 流体区域， （6） （7） （8） 其中，为瑞利数，；代表普朗特数，； 为达西数，；Rk表示多孔介质区与流体区热扩散系数值，；cF表示无量纲阻力常数；表示竖直方向的单位向量。 无量纲边界条件为： 复合区域交界面上的无量纲条件为：；；；；。 本文研究多孔介质导热特性对方腔自然对流的影响，设多孔介质与流体介质导热系数之比为，下角标p、f分别代表多孔介质和流体区域,其中方腔内流体为水、润滑油和空气。 4计算结果与分析 方腔左右壁面存在温差，在流体中形成热浮升力[8]，驱动热面流体上升冷面流体下沉形成自然环流。与纯流体区域不同，由于多孔介质区域的存在，复合腔体内流体流动及传热传质受到多孔介质渗透率、导热特性等的影响。本文探究探究多孔介质的导热特性对方腔内流体流动、温度变化及交界面处滑移特性的影响进行研究。 4.1导热特性对方腔流体速度和温度的影响 多孔介质一定程度上阻碍了贴近左壁面处流体的流动，随着Ra的增大，流体不断向多孔介质区域渗透，流体流入多孔介质区域，与多孔介质及左壁面进行热量交换，但多孔介质的存在极大地增加了固体骨架与流体接触面积,多孔介质中的孔隙相对较为复杂因而具有强烈的弥散效应, 流速较低的流体流过多孔介质孔隙时, 会产生相互叠加的径向位移和螺旋流的三维流动[11], 从而诱发局部湍流，进而增强多孔介质区域的换热效果和流体流动，增大了该区域流体的温度均匀性。 4.1.1方腔流体温度变化 为探究多孔介质导热系数比对该区域的流体温度均匀性的影响，本文用温度不均匀度R表示该区域流体温度的均匀程度，参数R方程为： （9） Θi为多孔介质区域某点的无量纲温度；为多孔介质区域平均无量纲温度；N为选取的点的个数。R值越大，流体的不均匀度越高。 图2 三种Ra下随导热系数比不均匀度及多孔介质区域平均温度变化图 在图