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多孔介质流场的热模拟方法

1概述随着工业技术的不断发展,更有效的强化冷却技术已经成为能源领域及热交换领域里的热门课题。欲改进设备的热交换性能,提高热交换的传热效果或者提高燃气轮机的工作效率,通常面临的一个关键问题是如何提高结构的抗高温能力。以多孔介质为载体的发散冷却技术,因其高效率的冷却方式,得到越来越多的重视与关注,然而,在基础理论和实验方法上,多孔介质内传统的传热传质方面还有很多问题是值得研究的。如数学模型的建立和边界条件的确定;冷却介质在微孔中的吸热、流动、相变等问题。另外,对应于发散冷却特性的研究,常局限于分析单一的某个参数对冷却效率的影响,而没有对应于实际应用进行综合分析。随着对发散冷却系统设计要求的提高,如何用较少的冷却介质达到较高的冷却效率,如何组合最佳的多孔材料以满足结构更高的热防护需求……此类问题[7-11],也是发达国家面临的基础科学问题,同时也给国内的科学研究带来新的机遇和挑战。现探索使用一种全新的方法,从流体力学及热力学的角度出发...  (本文共4页) 阅读全文>>

中国计量学院
中国计量学院

多孔介质微流动特性的实验研究

多孔介质在自然界和生物体内广泛存在,其结构复杂多变,揭示其内部流场及压差特性对于研究多孔介质流动过程、动量、能量及质量的复杂输运机理具有重要意义。本文利用MEMS技术设计加工了两种不同结构的多孔介质模型:微柱群型和微珠填充型。采用Micro-PIV技术和高精度的微差压变送器对多孔介质模型的流场和压差特性进行研究。首先,采用Micro-PIV技术测量了雷诺数为0.1~1时微柱群中间层的流场(20×物镜,1μm粒子),在速度分布的基础上计算了剪切应力的分布。结果表明,速度场沿流向和展向均具有良好的对称性,符合低雷诺数流动特征。另外发现均匀排列微柱群多孔介质模型相邻两列圆柱之间存在两条对称流线,其上流速不变;非均匀排列微柱群模型相邻两列圆柱之间存在两条不对称的流线,其上流速不变。利用Micro-PIV系统的高精度移动平台采集二维流场,并构建三维流场,流场反映了多孔介质内的全场流动特征。剪切应力的均方根计算结果表明,不同结构的多孔介质模...  (本文共86页) 本文目录 | 阅读全文>>

中国科学技术大学
中国科学技术大学

基于多孔介质内燃烧的微小型化学推进系统的数值研究

为了发展具有高分辨率推力和高比冲的微小型化学推进系统,本文采用理论分析和数值模拟的方法,对微推进系统中单个部件内的流动与燃烧过程以及整个系统的燃烧推进过程进行了研究。全文包括四个方面的工作:微通道内低速气体流动和微喷管内超声速气体流动的数值研究、微腔体内预混燃烧的数值研究、惰性多孔介质内低速过滤燃烧的理论与数值研究以及微小型化学推进系统工作循环的数值模拟与性能分析。采用不同的滑移连续介质模型,对微通道中低马赫数的气体流动进行了二维和三维数值模拟,研究了通道外形、进出口压比和出口压力等对流场的影响,并采用小扰动方法进行了相应的理论分析。详细讨论了微通道流的可压缩效应、稀薄效应、热蠕动效应、低雷诺数效应、三维效应以及不同滑移条件对计算结果的影响,利用实验结果和DSMC方法验证滑移连续介质模型在不同努森数区域的适用性,并总结出努森数和雷诺数是微通道流的特征参数。基于无滑移和有滑移的连续介质模型,对微尺度拉伐尔喷管内的冷态流场进行了二维...  (本文共187页) 本文目录 | 阅读全文>>

西安交通大学
西安交通大学

能源与环境学科中的多尺度多物理化学耦合反应输运过程数值模拟研究

能源与环境领域中广泛存在着多尺度多物理化学耦合反应输运过程。这些过程包含若干紧密耦合的物理化学过程如(单相或多相)流动、传热、传质、带电粒子传导、(电)化学反应以及固体溶解(融化)和沉淀(凝固)等。这些物理化学过程常常发生在跨越了几个数量级的几何空间,具有多尺度特性。非线性、非平衡的反应输运过程以及各过程间复杂的耦合机制对发展相应的高效、稳定和精确的数值模拟方法提出了极大的挑战。多尺度、跨尺度特性更需要构建全新的能够综合考虑各层次过程间相互耦合传递机制的数值模拟方法。本文以能源与环境学科中四个典型科学或工程问题,即质子交换膜燃料电池、微反应器、二氧化碳地质封存以及高放射性核废料处理为背景,归纳出六类具有重要理论意义和广泛应用背景的复杂多尺度多物理化学耦合反应输运问题,构建和发展多尺度多物理化学耦合反应输运过程的物理化学模型以及数值模拟方法,深入研究和探索不同尺度上尤其是介观和微观层次上的物理化学过程的机理,揭示不同尺度过程间的传...  (本文共275页) 本文目录 | 阅读全文>>

中国科学技术大学
中国科学技术大学

发散冷却基础问题的理论研究

随着空天技术的不断发展,更加高效的强化冷却技术已经成为工程热物理学科及航天航空研究领域里的热门课题。因为,要改进空天飞行器或者战斗机的性能,要提高燃气轮机的工作效率或者战略弹道导弹的飞行速度,通常面临着如何提高结构抗高温能力的问题。虽然以多孔介质为载体的发散冷却,因其高效率的冷却方式,受到越来越多的关注与研究,然而它在实验方法和基础理论方面值得研究的问题还有很多。其中,一些是传统的多孔介质内传热传质问题需要深入研究,例如:数学模型和边界条件的确定;液体冷却介质在微孔中的流动、吸热、相变问题。此外,过去对应发散冷却特性的研究大多局限于分析单个参数对冷却效率的影响,而没有根据实际应用综合起来分析。随着人们对发散冷却系统的优化设计要求的提高,如何用最少的冷却介质达到最高的冷却效率?如何用最佳的多孔材料组合满足结构更高的热防护需求?诸如此类问题是发达国家面临的基础科学问题,也给我们的科学研究带来新的机遇和挑战。本文以理论分析为基础、数值...  (本文共176页) 本文目录 | 阅读全文>>

天津大学
天津大学

新型多孔泡沫塔盘和规整填料的多尺度模拟研究

本课题组将具有孔隙率高、比表面积大、孔径均匀可控、强度高等一系列优良特性的多孔SiC泡沫材料应用到精馏塔的塔板和填料中,研制出新型的多孔泡沫SiC固定传质体塔盘和多孔泡沫SiC波纹板规整填料。鉴于这两种新型多孔泡沫塔内件的流场属于多孔介质/纯流体耦合问题,本文从宏观和微观两个尺度进行物理建模,并建立恰当的多相流模型和多孔介质模型,实现对它们的多尺度模拟研究。对于多孔泡沫SiC固定传质体塔盘和多孔泡沫SiC规整填料的宏观模拟,忽略多孔SiC泡沫的真实骨架结构,建立宏观物理模型,采用多孔介质模型的方法处理多孔SiC传质体和多孔SiC波纹板。本文采用了两种Forchheimer形式的多孔介质模型,并通过将模拟结果与实验数据对比,选择对于本文所研究的多孔SiC泡沫准确度较高的一种模型。气体单相流的模拟计算结果用于分析干塔压降的组成及其影响因素;塔盘两相流计算选用双欧拉多相流模型,并采用Grace曳力模型对多相流控制方程进行封闭。规整填料...  (本文共136页) 本文目录 | 阅读全文>>