冪律型非牛頓流體在多孔介質中對流及傳熱特性研究

《冪律型非牛頓流體在多孔介質中對流及傳熱特性研究》是依託大連理工大學,由王平擔任醒目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：冪律型非牛頓流體在多孔介質中對流及傳熱特性研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：王平

項目摘要

非牛頓流體在多孔介質的流動與傳熱是自然界和工農業生產常遇到的物理過程。本課題擬選用聚丙烯醯胺水溶液作為冪律型非牛頓流體，構建以金屬銅球為骨架的規則排列的多孔介質通道，建立冪律型非牛頓流體在多孔介質中的流動與傳熱數學模型，採用流固耦合方法對模型進行數值求解，獲得冪律型非牛頓流體在多孔介質流動與傳熱過程的速度、溫度、剪下速率和剪下應力等參數，進而研究冪律型非牛頓流變特性和多孔介質結構參數對冪律型非牛頓流體在多孔介質中的摩擦係數和努謝爾數的影響規律。開展與理論研究相對應的實驗研究，驗證和修正理論模型。構建規則多孔介質陣列和採用流-固耦合方法，能夠克服多孔介質體積平均理論及局部熱平衡模型不能夠充分反映多孔結構本身對流動與傳熱影響的局限性，課題旨在揭示非牛頓流變特性以及多孔介質結構參數對冪律型非牛頓流體在多孔介質中的傳熱傳質影響機理。

結題摘要

非牛頓流體在多孔介質的流動與傳熱是自然界和工農業生產常遇到的物理過程。本課題選用聚丙烯醯胺（PAM）水溶液作為冪律型非牛頓流體（冪律流體），構建以金屬銅球為骨架的規則排列多孔介質通道，建立冪律流體在多孔介質中的流動與傳熱數學模型，採用流固耦合方法對模型進行數值求解，獲得了冪律流體在多孔介質流動與傳熱過程的速度、溫度、剪下速率和剪下應力等參數，研究了冪律流體流變特性和多孔介質結構參數對冪律流體在多孔介質中的摩擦係數和努謝爾數的影響規律。 數值研究顆粒三維有序排列多孔介質的對流換熱問題，分析局部對流換熱係數hw及銅球和流體間的對流換熱係數hsf的影響因素。結果表明: hw隨PAM溶液濃度的增大而減小,黏性耗散減弱了對流換熱；hsf變化很小；速度增加、顆粒直徑d減小、冪律指數n增大都會導致hsf增大；多孔介質的排列方式越緊湊，n越大，d越小，固體導熱係數越大，多孔介質換熱能力越強；給出了適用於冪律流體的努謝爾數的關聯式。基於經典Carman-Kozeny-Blake模型及孔喉通道模型，提出一個新的冪律流體在顆粒堆積多孔介質內流動阻力預測模型，給出了冪律流體的臨界雷諾數、修正滲透率及慣性係數的關聯式。 開展與理論研究相對應的實驗研究，驗證和修正理論模型。在恆熱流條件下，實驗分析不同的流速、n和溫度下的PAM溶液對多孔介質流動換熱規律的影響。結果表明： PAM溶液的壓降和雷諾數的關係隨修正的阻力預測模型變化，隨著n和溫度的升高，壓降逐漸降低；hw隨n和雷諾數的增大而增大；分析了不同雷諾數下的綜合換熱效率，為多孔介質的流動換熱能力的有效評估提供了基礎性實驗數據。構建規則多孔介質陣列和採用流-固耦合方法，克服了多孔介質體積平均理論及局部熱平衡模型不能夠充分反映多孔結構本身對流動與傳熱影響的局限性，課題在一定程度上揭示了非牛頓流體流變特性和多孔介質結構參數對冪律流體在規則排列多孔介質中的流動和傳熱影響機理。