颗粒填充型多孔介质管内换热的壁面效应影响实验研究 王帅.docVIP

中国工程热物理学会 传热传质 学术会议论文 编号： 颗粒填充型多孔介质管内换热的壁面效应影响实验研究 王帅，李琪，戴传山，雷海燕 （天津大学中低温热能高效利用教育部重点实验室，300072，天津） （天津大学机械学院热能系地热中心，300072，天津） (Tel：022Email: csdai@tju.edu.cn) 摘要：本文通过进行不同管径不同直径颗粒填充型多孔介质管内的换热特性实验，探究壁面效应对流体流过多孔介质填充通道换热特性的影响。根据实验结果拟合出适用于壁面效应存在时的多孔介质对流换热实验关联式，直径比范围为。 关键词：多孔介质、壁面效应、换热特性 0 前言( 多孔介质填充管道广泛应用于科学研究、工业工程的各个领域，例如物理反应堆研究，材料科学，地热资源开发与利用等等。流体在多孔介质填充通道的流动和传热现象在工程应用中广泛存在，在利用多孔介质填充通道增强换热的过程中，我们需要精确知道所使用的多孔介质填充通道的换热特性，许多研究人员利用实验以及数值模拟的研究方法对多孔介质填充通道内部流体换热特性进行了研究，提出了许多关于多孔介质填充通道换热的实验关联式，该问题的研究也是当前传热传质现象的前沿研究领域之一[1-3]。 但随着近年来人们对多孔介质填充通道更加广泛的应用，多孔介质填充通道近壁区孔隙率的不均匀性变化即所谓的壁面效应逐渐被人们所重视，壁面效应是指多孔介质填充通道靠近壁面处颗粒排列受到壁面的影响，从而造成壁面处颗粒排列方式的局部异性，使得壁面处的孔隙度比内部大空间的孔隙度大即多孔介质填充通道内部孔隙度不均匀的效应。由于壁面效应造成多孔介质填充通道内部孔隙度的不均匀，因此流体在流过多孔介质填充通道时其内部流体速度分布与无壁面效应时有较大不同，而壁面效应由于影响了多孔介质填充通道的流动特性，因此必然会对其换热特性产生影响[4-6]。 本文通过实验手段，研究水流过不同内径圆管中填充不同直径颗粒时壁面效应对换热特性的影响，拟合出壁面效应存在情况下适用的换热特性实验关联式，为利用多孔介质填充通道提供理论与实验基础。 1 研究现状 为了解释壁面效应对多孔介质填充通道换热特性的影响，许多研究人员对其进行了深入的研究。1993年R.M.Fand[7,8]提出了关于多孔介质壁面效应的强制对流换热关联式的假说，认为多孔介质填充通道对流换热Nu是由紊流和规则流两部分的流动换热形成的，并且提出多孔介质填充通道对流换热Nu的基本表达形式： （1） 通过实验进行验证，证明该理论模型具有一定合理性。而后又对上述公式进行了改进，认为对流换热Nu的大小还应该由紊流和规则流之间转换区域的流动换热所贡献形成，提出多孔介质填充通道对流换热Nu的基本表达式： （2） 其中： 是雷诺数Red的函数，经过合并修改壁面效应下多孔介质填充通道对流换热Nu的实验关联式为： （3） 式（4-25）的表达形式与Dittus-Boelter公式比较类似，表达形式中不仅仅具有Re，还表达出Red对对流换热Nu的影响，因为。另外，表达式中采用反正切函数来表示壁面效应的存在对多孔介质填充通道对流换热Nu的影响，当D/d趋近于时，趋近于定值。 2008年Nao Seto[9]运用R.M.Fand提出的多孔介质填充通道强制对流换热Nu实验关联式对壁面效应下多孔介质流动阻力以及高Re数下的对流换热进行了实验研究，该实验用水作为流动工质，将圆球颗粒填入圆管作为多孔介质试验段，直径比D/d分别为3.0、2.2、2.0以及1.3。对于直径比D/d等于3.0、2.2、2.0的情形，实验计算Nu与实验Nu的最大正负误差为15%，而直径比D/d等于1.3时，实验计算Nu与实验Nu的最大正负误差为10%，实验再次证明该模型的合理性。 Dixon 与Labua[10]对壁面效应对多孔介质填充通道换热系数的影响进行研究得出结果，其拟合表达式为： （4） 其中N为直径比D/d，Red100。 Li, C.H.和Finlayson[11]其表达式为：