《三維顆粒有序堆積湍流換熱本構方程構建及其傳熱特性》是依託西安交通大學，由楊劍擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：三維顆粒有序堆積湍流換熱本構方程構建及其傳熱特性
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：楊劍
- 依託單位：西安交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
顆粒堆積多孔介質內的湍流換熱在核能、石化、污水處理等領域廣泛存在，且多為無序堆積。研究表明，顆粒堆積多孔介質內的湍流換熱受其孔隙結構影響顯著，基於有序堆積多孔介質內的巨觀流動與綜合換熱性能較無序堆積多孔介質均有顯著提高。但目前基於顆粒有序堆積多孔介質內的湍流換熱研究仍相對較少，尚未獲得其巨觀湍流換熱的統一關聯式和本構方程。本項目擬採用LBM方法對三維顆粒有序堆積多孔介質內湍流換熱的微觀特性展開深入研究，重點分析孔隙內流體的邊界層特性與局部湍流換熱規律（如：三維流動曲迂和湍流熱彌散效應等），通過遺傳規劃與時/空平均方法建立相應多孔介質巨觀湍流換熱的統一關聯式和本構方程，同時開展宏/微觀實驗對理論研究進行驗證和完善。研究結果不僅可以從機理上對顆粒有序堆積多孔介質內的湍流輸運過程進行闡釋，而且對構建顆粒堆積多孔介質湍流換熱理論體系具有重要學術意義。
結題摘要
顆粒堆積多孔介質內的流動換熱具有廣泛套用背景，如：地下水污染物擴散、石油/天然氣開採、球床反應堆堆芯設計、催化床反應器性能最佳化等，了解並掌握顆粒堆積體系內的流動傳熱規律是保證能源高效利用及相應設備安全運行的前提之一。研究表明，顆粒堆積多孔介質內的流動換熱受其孔隙結構影響顯著，基於有序堆積多孔介質內的流動傳熱規律與無序堆積多孔介質存在較大差異。本項目主要對顆粒有序堆積多孔介質內的宏/微觀流動傳熱特性、多孔介質湍流本構方程構建及多孔介質內的流態轉捩規律展開深入研究。實驗和數值研究了顆粒有序堆積多孔介質內的湍流換熱特性，揭示了顆粒有序堆積複雜孔隙內的局部湍流換熱規律，並成功修正了顆粒有序堆積多孔介質的Ergun公式和Wakao公式，結果表明顆粒有序堆積多孔介質巨觀對流換熱關聯式其形式與傳統經驗公式一致，但部分模型參數值明顯低於傳統經驗公式；採用間隙模型、柱接觸模型、面接觸模型及球冠切除模型取代點接觸模型，對有序堆積顆粒接觸點附近區域計算格線進行了改進，並探討了不同顆粒接觸模式對多孔介質內流動傳熱計算結果的影響規律，綜合堆積床巨觀及局部流動換熱特性，建議採用圓柱接觸模型替代點接觸模型進行計算；採用三維顆粒取代傳統二維棒束，對有序列陣多孔介質孔隙單元內的局部時均湍流特性進行研究，並基於時間/體積平均方法對多孔介質巨觀湍流方程（N-K模型）進行了改進。結果表明顆粒有序列陣多孔介質內由顆粒骨架引起的巨觀湍動能及耗散率附加淨產生項的值較傳統棒束模型顯著降低，其計算式形式與傳統N-K模型一致，但部分模型參數值明顯偏低；另外，基於電化學方法測量顆粒有序堆積多孔介質孔隙內流體的局部脈動，直觀揭示了顆粒堆積多孔介質內流體的湍流發展過程，並界定其巨觀湍流轉捩區，其中SC堆積結構的流動轉捩發生較遲而FCC堆積結構的流動轉捩發生較早。本項目研究結果對深入認識顆粒有序堆積多孔介質內的流動換熱規律、構建相應多孔介質湍流換熱理論體系具有重要學術價值，既增進了人們對多孔介質內流體複雜脈動發展過程的理解，同時也為人們準確判定顆粒有序堆積多孔介質內流體的巨觀流態變化並在模擬過程中選用合理的計算模型提供了理論支持，對核能、化工等行業實現高效安全生產及節能減排具有重要意義。
