探索竖直环隙间多孔介质中自然对流传热传质的数值研究

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1、四川大学硕士学位论文竖直环隙间多孔介质中自然对流传热传质的数值研究姓名：李敏杰申请学位级别：硕士专业：化学工程指导教师：王煤20050510四JI．大学硕士学位论文竖直环隙间多孔介质中自然对流传热传质的数值研究化学工程专业研究生李敏杰指导教师王煤教授多孔介质传热传质常见于自然界和工业过程，涉及水利、地质、化工、环境等诸多领域，随着核工业及电子产业的迅猛发展，多孔介质中的自然对流传热传质引起众多研究者的关注。为研究多孔介质中流动和传热传质特性，采用数值方法对带有均匀内热源、上下底面绝热、内外壁面存在温

2、度差和浓度差、腔体中充满了牛顿型流体饱和的多孔介质时竖直环隙间环形封闭腔体内的自然对流进行了分析。采用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化并进行了分析计算。对内外热源共同引发自然对流的数值模拟结果显示：内部Rayleigh数Rai及高宽比A对速度和温度的分布影响显著，随着Rai和A的增加，内壁面上方附近出现逆时针环流且沿内壁面向下方扩充，在流场中形成两个逆向对流环同时存在的模式，此时流体沿内壁面和外壁面都向下流动。受内、外热源的影响，温度场出现丁>l的高温区域和r<1低温区域．高温

3、区域的范围随Rai和A的增大而扩大。Rai较小时，内壁面处局部Nusselt数Nu,沿轴向先增加后降低为负值，随高宽比A的增大，零值出现的位置越靠前。当Rai足够大(Rai>500)时，Nu；数基本上处于负值区域且绝对值迅速增加，特别是在Z>0．85的顶部区域Nui数变化迅速。外壁面的局部Nusselt数Nu。沿轴向逐步增加，并在Z>0．8的区域急剧增大，在顶部达到最大值。内壁面的平均Nusselt数随Rai的增加而减小。另外，内壁面的平均Nusselt数随着高宽比A的增加减小。多孔介质封闭腔体中由

4、温度差和浓度差引起的双浮力自然对流的数值模拟结果显示：热浮力与浓度浮力的相互作用与所研究问题的边界条件、热膨胀系数卢，及浓度膨胀系数声。有关。N>0，表示两种浮力同向，此时二浮力相互加囵川大学硕士学位论文强，流体流速加快，壁面处的平均Nusselt数Nu和平均Sherwood数砌变化加快，表明腔体内的热质传递得到强化。N<0时，二浮力反向，此时两种浮力相互抵消和削弱，在N=一l处二浮力作用几乎完全抵消，流体内对流几乎停止，传热传质速率降至最低。此点以后，如果^，进～步减小，即IⅣI增大，流速开始加快

5、，传热传质速率随之增大。由流线图可以发现，当N>-1时流体在流场内呈J顿时针方向流动，N<一l时流体流动方向发生改变，呈逆时针方向流动。Ⅳ=一l是流型发生转变的分界点。等温线图和等浓度线图显示：0VI<1时，热浮力对流体的影响大于浓度浮力的影响，边界层的发展主要由熟浮力控制，热浮力的方向决定了温度边界层和浓度边界层的发展趋势及流体流动的方向；INI>I时，则浓度浮力的影响占优。Lewis数乜代表了多孔介质的热扩散系数与物质扩散系数之比。在所研究的条件(Ⅳ．=一5-5)下，当浮力比Ⅳ一定时，Nu数如的

6、增大而减小，而砌数则随k的增大而增大。关键词：自然对流多孔介质内热源传热传质数值分析Ⅱ四川大学硕士学位论文NumericalAnalysisofNaturalConvectioninVerticalAnnulusFilledwithaPorousmediumAbstractMajorChemicalEngineeringAdvisor：WANGMeiHeatandmasstransferinporousmediacanbeseeninnatureandsomeprocessesofindustry．

7、Theseprocessesrelatetowaterconservancy,geology,chemicalengineeringandenvironment．Withtherapiddevelopmentofnuclearindustryandelectronicindustry,themixedconvectiveheat仃ansf毫fhasbeenthefocusofresearchers．Naturalconvectioninaverticalannuluswithsaturatedpor

8、ousmediumwasnumericallyinvestigatedinordertoanalyzethehydrodynamicandheatandmasstransfercharacters．Thedimensionlessequationsaleobtainedbyusingstreamfuncfion．FornaturalconvectioncausedhethbyinnerandouterheatSOurCeS．theresu／￡sshowthatthea