流体横掠多孔介质流动稳定特性研究.pdf

《流体横掠多孔介质流动稳定特性研究.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第42卷第5期化工机械653流体横掠多孔介质流动稳定特性研究+李琪料李勇曹丽华胡鹏飞(东北电力大学能源与动力工程学院)摘要采用谱方法对流体横掠多孔介质层的流动稳定特性进行了研究。分析了雷诺数变化时特征值的运动轨迹和对应的特征值速度扰动分布，并进一步研究了临界雷诺数与渗透率之间的关系结果表明：在渗透率较大时增大雷诺数会使特征值图谱中出现新的特征值，且新增加特征值对应的速度扰动分别发生在自由流体与多孔介质区界面处以及多孔介质区内，并且在较小渗透率下，临界雷诺数的数值变化较为明显，通道内流体的流动稳定性更好。关键词多孔介质线性稳定性渗透率中图分类号TQ02l文献标识

2、码A文章编号0254．6094(2015)05-0653-05有关流体横掠多孔介质层流动特性的研究在许多工程领域中有重要意义，如化工应用中的催化系统‘。’2、干燥系统3’4及流化床锅炉。5等。在木材干燥系统中3，木材可视为多孔介质区，其余空间为自由流体区。通过研究此类结构内流体流动的稳定特性，进一步研究干燥系统中流场的影响因素和稳定条件。多孔介质层流动不仅涉及自由流体区和多孔介质区内的流动特性，同时也涉及到自由流体区与多孔介质区界面附近处的流体流动特性，越来越受到学者的关注。而前人在研究此复杂界面的流动特性时，在多孔介质区内部以及自由流体区与多孔介质区界面处采

3、用了不同的控制方程形式1”⋯。BeaversGS和JosephDD首次提出采用滑移速度处理多孑L介质与流体壁面接触的界面条件，并在多孑L介质中采用Darcy模型。9。。然而由于多孔介质当中的Darcy模型不能解决边界问题，造成界面处速度的不连续，一些学者又采用了Brinkman—extendedDarcy模型虬7。最近，Ochoa．TapiaJA和WhitakerS提出了一种新模型，认为在界面处速度是连续的但剪切力不连续‘”。，并且WhitakerS进一步用复杂的体积平均方法通过N．S方程推得多孔介质内满足的方程11⋯。TiltonN等均采用此类模型，分别对上

4、下具有多孔介质墙体以及中间插入一层多孔介质区通道内流体的流动稳定性进行了分析⋯‘”：基于前人的研究，笔者拟采用Oehoa—TapiaJA和WhitakerS‘“。提出的界面方程并采用WhitakerS”。提出的多孔介质模型，对流体横掠下层多孔介质通道结构中的压力驱动流进行稳定性模拟。1物理和数学模型图1为流体横掠多孔介质层的物理模型，上层为自由流体区域，高度设为2h，；下层为多孑L介质区域，高度设为2h。；上下层均受非渗透性固体壁面边界条件限制。假设流经此模型的流体状态为层流且充分发展，并符合泊松流条件。a

5、l⋯i1Ln、将WhitakerS模型忽略对流和惯性

6、效应，可以得到适用于多孑L介质内部的Brinkman．extendedDarcy公式⋯j。定义平均速度为“m，用自由流体+国家自然科学基金资助项目(51376041)。国家自然科学基金委员会应急管理项目(51476192)¨李琪，女，1986年lO月生，讲师。吉林省吉林市，132012。654化工机械2015经区一半高度即h，以及『l『／“。分别作为特征长度和特征时间；无量纲压力定义为p／p．。2；雷诺数表达式则定义为Re=pu。h，／g，；or=伊^，=(Da)。’1为无量纲渗透率，k为多孑L介质渗透率，Da为达西数；从而得到自由流体区和多孑L介质区的无量纲

7、方程：塑Ot+Ⅳ’VH=一Vp+上ReV2H(1)V·U=0(2)÷警一V㈤7+去V：(H)一去㈤(3)甲·(口)=o(4)上下固体壁面处的边界条件为：Ⅱ=o(5)自由流体区与多孔介质区界面条件为”1：(

8、D)7：P，(H)：H，上掣一竺：一三Ⅱ(6)s盯)oyo上述公式中，／．t=[u。j]。，P和占分别代表流体速度、压力和多孔介质内孔隙率。丁是界面系数，代表界面处动量的分布情况，为简化分析取下=0。联立方程(1)～(6)即可求解得到所研究物理模型充分发展层流稳定流各区域和界面处的速度解，从而得到整个计算区域的基础流。在求得基础流的前提下，定义两个区域流速和

9、压力的扰动分量为：rH=￡7(J)+“JP=P(，)+J；(7)【(Ⅳ)=、／fj)(y)+(五)偏离基础流的速度和压力可以表示为：，五=i(')e⋯一⋯’J(五)=u(J，)e“一”“(8)【i=i(、)r“一”“式中C——相速度，C=C，+ici；ci——相速度虚部；Cr——相速度实部；P——压力的扰动振幅；n——速度的扰动振幅；Q——流向波数二．结合流体流动稳定性理论，将式(7)、(8)代入方程(1)～(4)中，可得多孔介质层与自由流体层的稳定性方程：[(U-c)(D、2)圳一上iotRe(nn2卟m)-0[叫na"志(nd2h意(舡a2小())=。方程

10、中的“”’以及“D”均代表d／d3。U