格子Boltzmann方法模拟多孔介质内流体的流动

非达西渗流作为渗流力学中的一个重要分支,其研究对能源、化工、材料、生命科学以及医学等众多领域的发展起着至关重要的作用.本文采用四参数随机生成方法生成多孔介质结构,并利用格子Boltzmann方法模拟流体在多孔介质中的流场.通过改变多孔介质的孔隙率、核生长概率以及各方向生长概率,模拟各参数对达西曲线和渗透率的影响.此外,还调查了不同边界条件对渗流的影响.     

耦合多孔介质层的内产热腔体双扩散自然对流

为提升太阳池的蓄热能力和运行稳定性,需要充分了解盐梯度太阳池的热盐对流特性。本文采用格子Boltzmann方法模拟研究具有多孔介质层内产热腔体内的双扩散自然对流与熵产。探讨内产热系数、达西数、Soret与Dufour效应等影响因素作用下,腔体内热质传递过程与熵产的变化规律。结果表明：低达西数的多孔介质层有助于抑制腔体底面的传热传质效率,且盲目减小达西数的影响并不大,而内产热的增加会抑制腔体底面的传热传质效率。Soret效应有助于促进腔体内部的传质过程,而Dufour效应对传热过程有积极影响。低达西数的多孔介质层有助于抑制熵产的产生,而内产热强度对熵产有促进作用,且在高内产热强度的工况下,热不可逆性处于主导地位。Soret效应对熵产的作用不明显,而Dufour效应对熵产有促进作用,且在高Dufour效应作用下,热不可逆性在总熵产中占主导地位。     

圆内开缝圆环形空间自然对流的格子Boltzmann模拟

采用耦合热格子Boltzmann模型,对圆内开缝圆环形空间自然对流进行了数值模拟,分析了瑞利数Ra(10~4≤Ra≤10~6)和开缝度S(0.1≤S≤0.4)对环形空间内流动与换热的影响。模拟结果表明:随着瑞利数增加,环形空间内自然对流换热会出现较强的不稳定性,流型转化也较丰富,存在4种流型,稳定的二涡流、四涡流、二涡流和四涡流之间振荡的交变流以及振荡的二涡流;此外,开缝度的改变对环形空间内自然对流换热影响是显著的。随着开缝度的增大,流体更易形成多涡流型,进而增强流体扰动,流动不稳定性增强;另外,增大开缝度虽能增强环形空间内自流换热,但不是开缝度越大越好,而是存在一个最佳临界开缝度。     

多孔介质中自然对流传热的场协同分析

基于多孔介质内部热、湿、气耦合迁移的数学模型,用场协同理论的观点,推导出含湿多孔介质自然对流传热的气相流体与壁面间的整体和局部换热系数.针对宽高比为1∶3的竖直封闭多孔腔,数值检验了含湿非饱和多孔介质自然对流的场协同现象:即非饱和多孔介质自然对流的强度不仅取决于温差、气相速度和流体物性,还取决于气相速度和温度梯度之间的协同.改变气相速度和温度梯度的协同性,将影响非饱和多孔介质自然对流传热的强度.     

多孔介质内自然对流传热传质研究

该文研究了含内热源圆柱形多孔介质内不均匀温度分布产生的浮力效应引起的自然对流。给出了以流函数表示的无量纲基本方程,用控制容积法对方程离散并进行了数值计算,得到了多孔介质内的流场、温度场和浓度场,讨论了瑞利数Ｒａ和刘易斯数Ｌｅ对多孔介质传热传质的影响。     

介质参数对多孔介质腔内自然对流换热的影响

采用局部非热平衡模型,对非热平衡多孔介质方腔内的非达西自然对流进行了数值研究,采用Brinkman-Darcy-Forchheimer模型描述多孔介质内的流动,研究在不同参数条件下,即Pr、Da、空隙率φ、Ra等参数的不同取值下,有效导热系数比γ及无量纲容积换热系数H对多孔介质自然对流换热的影响,研究表明:γ的增加会削弱方腔内自然对流换热;ε、Da数的增大能够增加流体相平均Nu数,而对于固体相则有降低的作用;综合表明,只有在γ取值达到10.0以上时,局部热平衡假设才能得以成立。     

热格子Boltzmann方法分析及应用

格子Boltzmann方法（lattice Boltzmann method,LBM）是一种基于气体动理论的介观计算方法,其物理背景清晰、边界处理简单,已成功应用于等温（或无热）流动中.简要介绍现有的几种热格子Boltzmann模型,并运用几种热格子模型求解热Couette流、方腔自然对流等典型算例,对比不同热格子模型的数值稳定性、准确性、模型的计算效率等.将两种热格子模型用于多孔介质内的流动与传热问题中,对比热格子模型在处理复杂结构时的数值特性.     

部分充满多孔介质的封闭空腔内自然对流的数值研究

采用Forchheimer Brinkman扩展模型数值研究了部分充满多孔介质的封闭矩形空腔内的自然对流，系统地考察了加热强度、渗透率、多孔区高度、导热系数比以及高宽比等参数对腔内流动与传热的影响，给出了相应的速度场与温度场，并得到了平均Nusselt数随时间的变化规律。     

矩形闭合空间内多孔介质中自然对流传热研究

对底面恒温加热顶面恒温冷却、其它壁面绝热的矩形闭合空间内多孔介质中的自然对流传热问题,简化为二维模型进行数值计算和分析,在Ra≤300范围内,揭示了流场、温度场和换热效果随瑞利数(Ra)变化的特性,证实了从导热向自然对流开始过渡的第一临界瑞利数 Ra_c=40,给出了努谢尔特数(Nu)、瑞利数(Ra)和形状比(A)之间关系的理论计算公式和曲线。     

基于孔喉模型的多孔介质对流换热系数的分形研究

多孔介质作为一种良好的蓄热和换热材料,在工农业生产中有着广泛应用,获取准确和适用范围广的多孔介质对流换热系数有重要的研究价值。本文先介绍了多孔介质分形理论基础,然后基于多孔介质孔喉模型并结合分形理论、渗流理论及对流换热理论对多孔介质对流换热系数关联式进行理论推导,最后将得出的对流换热系数与传统对流换热系数进行对比并进行了修正。修正后的分形解与传统解比较一致,在孔隙率0.25~0.5的范围偏差较小,而其形式也验证了外部绕流比内部管流更接近多孔介质流动本质。     

非饱和含湿多孔介质传热传质的渗流模型研究

综述了非饱和含湿多孔介质传热传质模型研究的发展。从多相渗流和扩散迁移机制出发建立以温度、压力和饱和度为基本变量的实用化三参数模型。该模型由一组描述水－汽质量守恒、空气质量守恒和能量守恒的非线性偏微分方程组成。利用该模型对埋管的热过程、砂土物性测量、毛细滞后现象、回湿过程、突发高温作用下多孔介质内部的传热传质过程和冻融过程进行了研究。为了模型的进一步应用,仍需对束缚水饱和度以下毛细压力与饱和度的关系、导热系数的影响因素及其获取方法、非饱和多孔介质传热传质的边界效应和滞后效应的物理机理等方面深入研究。非饱和多孔介质中溶质的运移更是一个饶有意义的研究课题。     

关于两种REV尺度多孔介质LBM模型的讨论

通过多尺度展开方法分析了Freed和Guo分别提出的两种多孔介质LBM模型对应的宏观方程。分析表明,两种模型均存在一定的人工多余项,相较而言Guo模型更加精确。对于稳态不可压流动来讲,两种模型基本等价。通过数值模拟证明了这一结论。     

黏性耗散对幂律流体在多孔介质内对流换热的影响

基于Darcy-Brinkman-Forchheimer流动模型,比较了幂律型非牛顿流体在饱和多孔介质通道内充分发展的强迫对流换热过程中不同黏性耗散的影响,推导出量纲一的轴向流速分布、量纲一的温度分布,及对流换热特征参数的计算表达式,并在恒热流边界条件下,利用经典四阶Runge-Kutta法对不同情形下的黏性耗散效应进行了数值求解.模拟结果表明:对流换热特性与速度分布密切相关,不同的黏性耗散Darcy项、Al-Hadhrami项和Forchheimer项对流动换热特性有重要的影响,且布林克曼数Br、达西数Da、综合惯性参数F和幂律指数n等参数对流动换热特性也有着较大影响.     

Investigation on the mechanism of convective heat and mass transfer with double diffusive effect inside a complex porous medium using lattice Boltzmann method

A new lattice Boltzmann model is proposed for the coupling of multi-physics in natural convection by introducing another distri-bution function to represent the scalar transport of mass and an additional source term on the right hand side of the lattice Boltzmann equation (LBE) based on the TD2G9 model. According to the Boussinesq assumption and considering the coupled diffusive effect, the governing equations for the coupling of multi-physics in natural convection is proposed based on the non-equilibrium thermodynamic theory. Combined with the algorithm for the reconstruction of a porous medium, this model is used to investigate the coupled heat and mass transfer under multi-physics of natural convection inside a porous medium at the pore scale. The characteristic of profiles of dimensionless velocity, temperature and concentration are shown graphically for different values of Rayleigh number (Ra) and porosity. Furthermore, the influence of the temperature gradient on the mass transfer inside a porous medium has been examined numerically. Thus, the mechanism of the coupled heat and mass transfer inside a porous medium is investigated numerically at the pore scale innovatively.     

含湿多孔介质传热传质三参数渗流模型研究方法

回顾了含湿多孔介质传热传质模型的发展，系统地介绍了三参数渗流模型概括的基本传递机制和物性数据，特别是松散介质的物性数据的获取方法。以埋管周围砂土内的传热传质动态过程研究为例，给出了不同边界条件的描述，介绍了介质物性数据及初始温度、含湿饱和度等的确定方法。最后，给出了常功率加热条件下，浅埋水平管道周围温度、含湿饱和度以及压力分布变化情况     

多孔表面槽道对沸腾传热影响的实验研究

报道了开槽密度和深度对R11工质在烧结多孔表面池沸腾换热影响的实验研究,观察发现,多孔表面开槽,蒸汽从槽道逸出,液体从多孔区吸入到受热面,沸腾换热增强,沸腾可分为液体灌注,槽道起泡和底部蒸干3个区,对特定的多孔层,合理开槽可获得较好的换热效果。     

水平微细圆柱表面与水自然对流换热的实验研究

采用焦耳加热法对不同尺寸的水平微细铜丝在水中加热,并将实验得到的努谢尔特数Nu与常规尺寸下经典准则关系式的计算值比较.实验结果表明,在相同壁面过热度下,实验Nu数要小于经典准则关系式的计算值,并且实验Nu数几乎保持不变.这说明微细铜丝与水的换热由对流为主转变为对流与导热共同作用为主或是纯导热,从而导致了实验值小于常规尺寸下的理论计算值.     

往复式多孔介质超绝热燃烧中辐射传热有限体积法

对多孔介质中的往复式超绝热燃烧（简称为RSCP）进行了二维数值模拟,采用辐射传递的有限体积法求解了固相能量方程中的辐射源项．研究了预混气体流速、当量比和换向半周期等主要操作参数对RSCP系统中的温度分布、放热率、辐射热流量和辐射效率的影响,结果表明,有限体积法可以实现光学厚介质的非表面辐射流场与燃烧反应的耦合计算;RSCP燃烧器内部温度场呈典型的梯形,辐射热流近似正弦分布;在相同操作条件下,与常规多孔介质预混燃烧相比,RSCP燃烧器有更好的热结构和更高的辐射效率。     

不同屋顶结构下室内自然对流传热数值分析

以室内自然对流传热过程为研究对象,采用质量守恒方程、能量守恒方程进行数值计算,给出了Ra数在10³～10⁸之间时,三种不同屋顶结构下室内等温线、流体流线的分布特征和Nu数的变化特征.分析结果表明:随着Ra数的增大,等温线由近似竖直变为水平,靠近高、低温壁面有边界层的产生,高Ra数下的室内气流变得紊乱;三种屋顶下的Nu数曲线形状相似,Ra=10³时拱形屋顶的Nu值最大,高Ra数时平屋顶房屋的Nu值最小,换热效果较差;拱形屋顶Nu与Ra的拟合公式为:Nu=0.316Ra^0.262.