基于格子Boltzmann方法的泡沫金屬內(nèi)固液相變傳熱過程的研究.pdf

1、泡沫金屬內(nèi)固液相變傳熱的研究在儲(chǔ)能、建筑節(jié)能、新能源利用、制冷與空調(diào)、航天科技、電子器件冷卻等領(lǐng)域有著重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。由于泡沫金屬的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性及固液相變過程的非線性特征，泡沫金屬中固液相變傳熱機(jī)理研究尚不充分。為此，本文以開孔泡沫金屬內(nèi)固液相變傳熱過程為研究對(duì)象,開展以介觀計(jì)算方法—格子Boltzmann方法為主要研究手段的數(shù)值模擬研究，并輔助以必要的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。
　　 首先，基于表征體元(Representa

2、tiveElementaryVolume，REV)尺度和孔隙尺度的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程，建立了開孔泡沫金屬中固液相變傳熱與流動(dòng)過程的數(shù)學(xué)模型。其中，REV尺度能量方程采用雙溫度模型以考慮泡沫金屬骨架與填充介質(zhì)之間局部熱非平衡效應(yīng)，流動(dòng)過程的控制方程選用Brinkmann-Forchheimer-Darcy通用滲流模型，相變過程采用焓法加以處理。
　　 在數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，從固液相變傳熱與有內(nèi)熱源的導(dǎo)熱過程的相似性出發(fā)，把

3、源強(qiáng)化傳熱概念及對(duì)流換熱的場(chǎng)協(xié)同理論引入到非穩(wěn)態(tài)固液相變傳熱研究中，推導(dǎo)了表面換熱平均Nusselt數(shù)的解析表達(dá)式，對(duì)泡沫金屬內(nèi)固液相變傳熱強(qiáng)化提供了新的分析思路。另外，針對(duì)泡沫金屬內(nèi)固液相變過程中局部熱非平衡效應(yīng)進(jìn)行了理論分析，提出了表征局部熱非平衡效應(yīng)的理論關(guān)聯(lián)式，理論分析表明:相變過程加大了局部熱非平衡效應(yīng)，局部熱非平衡效應(yīng)不僅與Sparrow數(shù)、有效熱容比有關(guān)，還與Stefan數(shù)等相關(guān)。
　　 在數(shù)學(xué)模型求解上，發(fā)展了與

4、泡沫金屬內(nèi)流動(dòng)及傳熱多尺度研究相適應(yīng)的介觀數(shù)值計(jì)算方法—格子Boltzmann方法(LatticeBoltzmannmethod，LBM)，并通過選擇合適的平衡態(tài)分布函數(shù)及非線性源項(xiàng)形式，建立了REV尺度和孔隙尺度的多分布函數(shù)熱格子Boltzmann方法模型，并通過大量的數(shù)值實(shí)驗(yàn)，模型或方法的有效性得到了驗(yàn)證。
　　 基于REV尺度針對(duì)泡沫金屬內(nèi)固液相變傳熱過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，系統(tǒng)地分析了Rayleigh數(shù)Ra、Darcy數(shù)

5、Da、Prandtl數(shù)Pr、Stefan數(shù)Ste、骨架導(dǎo)熱系數(shù)比、孔隙率、孔密度、局部熱非平衡效應(yīng)等因素對(duì)相變傳熱的影響。REV尺度模擬結(jié)果表明:(1)相變畜熱系統(tǒng)中加入開孔泡沫金屬一方面可提高系統(tǒng)的導(dǎo)熱性能，但另一方面也導(dǎo)致了自然對(duì)流傳熱一定程度上被抑制;(2)自然對(duì)流對(duì)融化相變過程有著重要的影響，且隨Ra增大而增大，但換熱增強(qiáng)的程度卻逐漸減弱，這主要因?yàn)樗俣葓?chǎng)與溫度梯度場(chǎng)協(xié)同程度逐漸變差的緣故;(3)與低孔隙率多孔介質(zhì)相比，泡沫金屬

6、系統(tǒng)中非Darcy效應(yīng)通常比較明顯，自然對(duì)流對(duì)相變傳熱影響并不能獨(dú)立地決定于多孔介質(zhì)無(wú)量綱參數(shù)綜合Rayleigh數(shù)Ratotal，還有Da值范圍相關(guān);(4)在固定孔隙率的情況下，孔密度的增加意味著換熱面積的增加，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致液相自然對(duì)流流速的下降，其值增加是否能強(qiáng)化相變傳熱則與液相自然對(duì)流強(qiáng)度有關(guān)，LBM模擬研究深化了人們對(duì)孔密度變化對(duì)相變傳熱影響的認(rèn)識(shí);(5)局部熱非平衡效應(yīng)與許多因素相關(guān)，其存在將導(dǎo)致泡沫金屬?gòu)?qiáng)化傳熱性能的降低。

7、
　　 基于人工構(gòu)造的二維及三維泡沫金屬結(jié)構(gòu)模型，從孔隙尺度對(duì)泡沫金屬內(nèi)固液相變過程進(jìn)行LBM模擬，揭示了微觀孔隙尺度下固液相變傳熱及流動(dòng)特征，分析了孔隙率、孔密度、骨架纖維形狀、結(jié)構(gòu)缺陷等結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)對(duì)相變傳熱的影響?？紫冻叨鹊难芯勘砻鳎谙嘧兦把貐^(qū)域泡沫金屬骨架附近的相變材料通常首先發(fā)生相變（融化或凝固），然后以骨架為中心其相變范圍不斷得以擴(kuò)大，這說明該區(qū)域骨架導(dǎo)熱在相變傳熱中占有主導(dǎo)作用，而自然對(duì)流傳熱地位居次。孔隙率及孔

8、密度對(duì)相變傳熱影響的孔隙尺度分析與REV尺度分析結(jié)論是基本一致的。相比骨架纖維斷面為方形或圓形的泡沫金屬，三角形骨架纖維的泡沫金屬具有更好的換熱性能。孤立分布的固體顆粒物及骨架斷裂等結(jié)構(gòu)缺陷在不同程度上降低了理想結(jié)構(gòu)泡沫金屬材料的傳熱性能。
　　 在實(shí)驗(yàn)研究方面，采用光學(xué)顯微及紅外熱成像技術(shù)開展了泡沫金屬內(nèi)固液相變傳熱的可視化實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)了泡沫金屬微觀孔隙結(jié)構(gòu)下固液相變傳熱與流動(dòng)特征?？梢暬瘜?shí)驗(yàn)研究進(jìn)一步揭示了微觀孔隙結(jié)構(gòu)下相變材