传热与传质过程中rayleigh-bénard对流的模拟

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1、传热与传质过程中Rayleigh-Bénard对流的模拟SimulationofRayleigh-BénardconvectioninHeatandMassTransferProcess学科专业：化学工程作者姓名：陈曼指导教师：曾爱武副研究员天津大学化工学院二零一七年五月万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已

2、在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月万方数据摘要Rayleigh-Bénard对流常见于自然界和各种工程应用中，并受到广泛研究，常由温度场或浓度场的不均匀性引发

3、。传热与传质过程，尤其对应Rayleigh-Bénard对流过程，具有一定相似性。一些Rayleigh-Bénard对流在传热（如自然对流）中已经广泛应用的分析方法或理论，如熵产率分析，有望用于解决界面传质领域的问题。而本文的研究成功例证了这一思路：首次将熵产分析引入到对界面传质Rayleigh-Bénard对流的研究并提出新的观点。这对引入更多新研究角度或分析方法到界面传质Rayleigh-Bénard对流研究中具有一定启发意义。对于传热Rayleigh-Bénard对流的研究中，通过与文献比较，全面的验证了基于ANSYSFluent无量纲模拟

4、稳态对流的可靠性。在此基础上，对方腔内变物性低Pr数流体自然对流进行研究，发现热导率对局部传热熵产率分布影响最大，且变物性对平均Nu数影响可能存在协同或抵消作用。最后借助量阶分析和均匀试验设计得到各物性对平均Nu数的通用半理论半经验数学表达式。对于传质Rayleigh-Bénard对流的研究，基于ANSYSFluent对CO2-乙醇吸收体系的界面传质Rayleigh-Bénard对流进行原始变量数值模拟，在对流过程与传质效果分析中发现新生对流胞极大地强化传质过程。首次得到Rayleigh-Bénard对流中质量传递和粘性耗散这两个不可逆过程的熵产

5、率，并从非平衡热力学角度对其进行分析。液层中局部传质和粘性熵产率均出现特征分布，并对其进行成因分析。全局传质和粘性熵产率随时间变化在对流前后，即对应分子扩散主导阶段和对流主导阶段，分别呈现出不同趋势。相对于纯扩散过程，Rayleigh-Bénard对流的引发改变了系统不可逆过程路径而实现传质强化，体现为全局总熵产率随时间的差异性变化。本文的创新性主要有三点：首次将熵产分析引入到界面传质Rayleigh-Bénard对流研究中，提供了基于非平衡热力学的新研究视角；将热函数推广到变物性自然对流中，提出描述流体流动的动量流函数，解决流函数对可压缩流体的

6、不适用性；验证了基于ANSYSFluent无量纲模拟的可靠性，并提出界面传质Rayleigh-Bénard对流的相关变量无量纲化的初级方案，为进一步无量纲研究提供了基础。关键词：Rayleigh-Bénard对流，自然对流，界面传质，变物性，无量纲化，熵产分析，非平衡热力学I万方数据ABSTRACTRayleigh-Bénardconvectioniscommoninnatureandengineeringapplicationsandhasbeenextensivelystudied,oftencausedbytheinhomogeneityo

7、ftemperaturefieldorconcentrationfield.Heatandmasstransferprocess,especiallytheircorrespondingRayleigh-Bénardconvectionprocess,hassimilaritiestosomeextent.SomeanalyticalmethodsandtheoriesofRayleigh-Bénardconvectionlikeentropygenerationanalysiswidelyusedinheattransferprocess,su

8、chasnaturalconvection,arepotentialtosolvesomeproblemsininterfacialma