三维不规则多孔介质的流动传热模拟thesimulationofflowandheattransferinirregula
摘 要摘 要多孔介质广泛存在于人们的生活的各个方面，并运用于生产中。比如土壤的营养的吸收以及保温、石油开采过程以及食品的干燥过程等。以及本文主要探究的一些工业方面的毛细过程和蒸发流动，本文的主要研究内容如下（1）首先建立两种多孔介质模型，如为纤维多孔模型和烧结颗粒多孔介质。通过软件模拟的方法来观测以上的两种模型可得无论其内部是球型颗粒还是圆柱状颗粒，当由其所组成的多孔介质模型的孔隙率相同时，多孔介质的换热情况基本保持不变，所以多孔介质的换热情况与颗粒类型没有关系，其主要受到孔隙率的影响。在流体以恒定的温度进入多孔介质条件下，流体截面的温度变化情况为随多孔介质的孔隙率的增大先变大后变小。（2）结合多孔介质和传热的一些相关知识，由GAMBIT建立烧结颗粒模型和纤维多孔介质模型并且用FLUENT软件进行数值模拟，研究和分析了多孔介质中颗粒形状、流体进入多孔介质的温度、流体的速度对多孔介质传热特性的影响，进而研究不同形状（烧结颗粒状和纤维多孔状）的多孔介质的对流传热特性。其中突出研究了温度、速度、孔隙率对多孔介质温度平衡的影响，发现当流速增大时，多孔介质颗粒和流体之间能更快的达到平衡温度，且随着速度的增大，平衡温度逐渐下降。然后比较了烧结颗粒多孔介质和纤维多孔介质在相同温度或者相同流速下的传热特性，发现在相同的流速下，两种模型达到平衡的趋势基本相同，但是纤维多孔介质传热效果更好。在研究孔隙度对多孔介质的影响时，主要研究它们对出口温度以及各个孔隙率不同的截面温度的影响，发现随着孔隙度的增加，流体的温度变化幅度没有明显变化，并且传热效果减弱。且如果孔隙率过大，反而可能会削弱传热效果，达不到强化传热的效果。关键字纤维多孔介质；烧结多孔介质；孔隙率；传热特性
目录
第一章 绪论 1
1.1背景及意义 1
1.2多孔介质的研究现状和历史 2
1.2.1国内外研究状况 2
1.2.2主要研究方法 5
1.2.3 物理实验模拟方法 5
1.2.4 数值模拟计算方法 5
1.3本文主要的研究内容及方法 6
第二章 模型建立 8
2.1 Gambit简介 8
2.1.1 简介 8
2.1.2 物理模型建立 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
的基本过程 8
2.2 FLUENT简介 9
2.2.1 简介 9
2.2.2 优点 9
2.2.3 数学模型的建立 10
2.3 相关物理参数的简介 10
2.3.1 孔隙率 10
2.3.2 固体颗粒尺寸 11
2.3.3 渗透率 11
第三章 温度和气流速度等对烧结颗粒多孔介质的影响 12
3.1 孔隙率对烧结颗粒多孔介质传热效果的影响 12
3.1.1 模拟方案 13
3.1.2 模拟数据记录 14
3.2.2 模拟结果分析 14
3.2 温度对烧结颗粒多孔介质传热效果的影响 16
3.2.1 模拟方案 16
3.2.2 模拟数据记录 17
3.2.3 模拟结果分析 18
3.3 速度对烧结颗粒多孔介质传热效果的影响 19
3.3.1 模拟方案 19
3.3.2 模拟结果记录 20
3.3.3 模拟结果分析 21
第四章 温度和气流速度等对纤维多孔介质的影响 23
4.1 孔隙率对纤维多孔介质传热性能的影响 23
4.1.1 模拟方案 24
4.1.2 模拟数据记录 25
4.1.3 模拟结果分析 25
4.2 温度对纤维多孔介质传热性能的影响 27
4.2.1 模拟方案 27
4.2.2 模拟结果记录 28
4.2.3 模拟结果分析 29
4.3 速度对纤维多孔介质传热性能的影响 30
4.3.1 模拟方案 30
4.3.2 模拟结果记录 31
4.3.3 模拟结果分析 32
第五章 纤维多孔介质和烧结颗粒多孔介质的比较 34
5.1 孔隙率的影响对比 34
5.1.1 比较模拟数据记录 34
5.1.2 模拟结果分析 35
5.2 进口速度的影响的对比 37
5.2.1 模拟数据记录 37
5.2.2 模拟结果分析 38
总结与展望 40
致 谢 42
参考文献 43
第一章 绪论
1.1背景及意义
多孔介质(Porous media)，通俗来讲，是由固体和流体交错紊乱排列的一种复合状态。而专业定义为：多孔介质为多相物质混合组成,但是他们之中最少有一相不是固体,并且固体部分需合理的分布于整个空间,而且非固体区域形成的孔洞是相互连通的。它是构成地球物种的基本组成单元。一般意义上说,当其体孔隙率为1时,即可视为固体，当孔隙率为0时,则可视为流体，孔隙率在0到1之间的物质,均可视作多孔体[1]。
相被人们定义为内部性能趋于一致均匀的集体物质。人们在研究多孔介质的流动和传热过程时，将多孔介质划分为单相和多相集体。单相集体一般是指有一种流体（例如水或者空气）或几种完全可以任意比例相溶的流体（例如淡水和盐水）全部充满多孔介质的空隙区域。多相集体则是指多孔介质的孔隙空间中充满两种或更多互不相溶的流体物质。互不相融的流体即为流体截面间有明确的分界标志（例如油和水）。通常情况下多相集体中的多相流体中只有一种气体相，因为任一两种气体之间是以任意比例相互溶解的。通常情况下将不参与流动的固相称作多孔介质的固体骨架。如下图11给出了两种多孔介质的示意图，左图是以水为流体相的单相多孔介质示意图，右图是以油和水（或空气）的混合物为流体相的两相多孔介质[2]。因此,多孔介质传热传质性质与各行各业都有着密切的联系，如建筑业、制造业、航天，地质及能源发展等。
//
图11 多孔介质示意图
多孔介质中关于应力分析、流动与传热的研究具有广阔的科学基础与实际背景,它不仅在油气开采、地质研究、矿山安全工程等传统领域起着重要的作用,而且在燃料电池与储氢新能源汽车等新兴技术方面具有着广泛的应用前景。土壤、质子交换膜燃料电池膜电极、吸附储氢的碳基材料等是我们生活中常见的多孔介质。自有工业发展以来,人们就认识到土壤的特征及其灌溉方式与作物生长之间的关系。土壤中养分的吸收及污染物的处理、迁移和维持的过程,地下岩层中石油的开采,开发与利用地热资源的过程，土壤的热能冷量的存储过程,都与多孔介质中传热传质过程有着密切的关系；质子交换膜燃料电池中的氧元素、氢元素之间的反应也是在多孔介质膜间的电极发生的；又例如动植物的新陈代谢以及营养物质的传输大多数也都是在多孔介质中进行；此外还有与我们生活有着很大关系的建筑物的保热与保冷性能及食物的冷藏与保鲜也都是一些多孔介质中的传热与传质过程的表现；以及现在比较前沿的物质加工方法也与多孔介质的传热传质过程息息相关。因此深入的对多孔介质进行研究关系着我们未来生产生活的方方面面，对我们产生了至关重要的影响[3]。
目录
第一章 绪论 1
1.1背景及意义 1
1.2多孔介质的研究现状和历史 2
1.2.1国内外研究状况 2
1.2.2主要研究方法 5
1.2.3 物理实验模拟方法 5
1.2.4 数值模拟计算方法 5
1.3本文主要的研究内容及方法 6
第二章 模型建立 8
2.1 Gambit简介 8
2.1.1 简介 8
2.1.2 物理模型建立 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
的基本过程 8
2.2 FLUENT简介 9
2.2.1 简介 9
2.2.2 优点 9
2.2.3 数学模型的建立 10
2.3 相关物理参数的简介 10
2.3.1 孔隙率 10
2.3.2 固体颗粒尺寸 11
2.3.3 渗透率 11
第三章 温度和气流速度等对烧结颗粒多孔介质的影响 12
3.1 孔隙率对烧结颗粒多孔介质传热效果的影响 12
3.1.1 模拟方案 13
3.1.2 模拟数据记录 14
3.2.2 模拟结果分析 14
3.2 温度对烧结颗粒多孔介质传热效果的影响 16
3.2.1 模拟方案 16
3.2.2 模拟数据记录 17
3.2.3 模拟结果分析 18
3.3 速度对烧结颗粒多孔介质传热效果的影响 19
3.3.1 模拟方案 19
3.3.2 模拟结果记录 20
3.3.3 模拟结果分析 21
第四章 温度和气流速度等对纤维多孔介质的影响 23
4.1 孔隙率对纤维多孔介质传热性能的影响 23
4.1.1 模拟方案 24
4.1.2 模拟数据记录 25
4.1.3 模拟结果分析 25
4.2 温度对纤维多孔介质传热性能的影响 27
4.2.1 模拟方案 27
4.2.2 模拟结果记录 28
4.2.3 模拟结果分析 29
4.3 速度对纤维多孔介质传热性能的影响 30
4.3.1 模拟方案 30
4.3.2 模拟结果记录 31
4.3.3 模拟结果分析 32
第五章 纤维多孔介质和烧结颗粒多孔介质的比较 34
5.1 孔隙率的影响对比 34
5.1.1 比较模拟数据记录 34
5.1.2 模拟结果分析 35
5.2 进口速度的影响的对比 37
5.2.1 模拟数据记录 37
5.2.2 模拟结果分析 38
总结与展望 40
致 谢 42
参考文献 43
第一章 绪论
1.1背景及意义
多孔介质(Porous media)，通俗来讲，是由固体和流体交错紊乱排列的一种复合状态。而专业定义为：多孔介质为多相物质混合组成,但是他们之中最少有一相不是固体,并且固体部分需合理的分布于整个空间,而且非固体区域形成的孔洞是相互连通的。它是构成地球物种的基本组成单元。一般意义上说,当其体孔隙率为1时,即可视为固体，当孔隙率为0时,则可视为流体，孔隙率在0到1之间的物质,均可视作多孔体[1]。
相被人们定义为内部性能趋于一致均匀的集体物质。人们在研究多孔介质的流动和传热过程时，将多孔介质划分为单相和多相集体。单相集体一般是指有一种流体（例如水或者空气）或几种完全可以任意比例相溶的流体（例如淡水和盐水）全部充满多孔介质的空隙区域。多相集体则是指多孔介质的孔隙空间中充满两种或更多互不相溶的流体物质。互不相融的流体即为流体截面间有明确的分界标志（例如油和水）。通常情况下多相集体中的多相流体中只有一种气体相，因为任一两种气体之间是以任意比例相互溶解的。通常情况下将不参与流动的固相称作多孔介质的固体骨架。如下图11给出了两种多孔介质的示意图，左图是以水为流体相的单相多孔介质示意图，右图是以油和水（或空气）的混合物为流体相的两相多孔介质[2]。因此,多孔介质传热传质性质与各行各业都有着密切的联系，如建筑业、制造业、航天，地质及能源发展等。
//
图11 多孔介质示意图
多孔介质中关于应力分析、流动与传热的研究具有广阔的科学基础与实际背景,它不仅在油气开采、地质研究、矿山安全工程等传统领域起着重要的作用,而且在燃料电池与储氢新能源汽车等新兴技术方面具有着广泛的应用前景。土壤、质子交换膜燃料电池膜电极、吸附储氢的碳基材料等是我们生活中常见的多孔介质。自有工业发展以来,人们就认识到土壤的特征及其灌溉方式与作物生长之间的关系。土壤中养分的吸收及污染物的处理、迁移和维持的过程,地下岩层中石油的开采,开发与利用地热资源的过程，土壤的热能冷量的存储过程,都与多孔介质中传热传质过程有着密切的关系；质子交换膜燃料电池中的氧元素、氢元素之间的反应也是在多孔介质膜间的电极发生的；又例如动植物的新陈代谢以及营养物质的传输大多数也都是在多孔介质中进行；此外还有与我们生活有着很大关系的建筑物的保热与保冷性能及食物的冷藏与保鲜也都是一些多孔介质中的传热与传质过程的表现；以及现在比较前沿的物质加工方法也与多孔介质的传热传质过程息息相关。因此深入的对多孔介质进行研究关系着我们未来生产生活的方方面面，对我们产生了至关重要的影响[3]。
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