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多孔介质内复合对流传热传质的数值分析

多孔介质内复合对流传热传质的数值分析
多孔介质内复合对流传热传质的数值分析

第五章对流传热分析..

第五章 对流换热分析 通过本章的学习,读者应熟练掌握对流换热的机理及其影响因素,边界层概念及其应用,以及在相似理论指导下的实验研究方法,进一步提出针对具体换热过程的强化传热措施。 5.1内容提要及要求 5.1.1 对流换热概述 1.定义及特性 对流换热指流体与固体壁直接接触时所发生的热量传递过程。在对流换热过程中,流体内部的导热与对流同时起作用。牛顿冷却公式w f ()q h t t =-是计算对流换热量的基本公式,但它仅仅是对流换热表面传热系数h 的定义式。研究对流换热的目的是揭示表面传热系数与影响对流换热过程相关因素之间的内在关系,并能定量计算不同形式对流换热问题的表面传热系数及对流换热量。 2.影响对流换热的因素 (1)流动的起因:流体因各部分温度不同而引起密度差异所产生的流动称为自然对流,而流体因外力作用所产生的流动称为受迫对流,通常其表面传热系数较高。 (2)流动的状态:流体在壁面上流动存在着层流和紊流两种流态。 (3)流体的热物理性质:流态的热物性主要指比热容、导热系数、密度、粘度等,它们因种类、温度、压力而变化。 (4)流体的相变:冷凝和沸腾是两种最常见的相变换热。 (5)换热表面几何因素:换热表面的形状、大小、相对位置及表面粗糙度直接影响着流体和壁面之间的对流换热。 综上所述,可知表面传热系数是如下参数的函数 ()w f p ,,,,,,,,h f u t t c l λραμ= 这说明表征对流换热的表面传热系数是一个复杂的过程量,不同的换热过程可能千差万别。 3.分析求解对流换热问题 分析求解对流换热问题的实质是获得流体内的温度分布和速度分布,尤其是近壁处流体内的温度分布和速度分布,因为在对流换热问题中“流动与换热是密不可分”的。同时,分析求解的前提是给出正确地描述问题的数学模型。在已知流体内的温度分布后,可按如下的对流换热微分方程获得壁面局部的表面传热系数 2x x w,x W/(m K)t h t y λ??? ?=- ? ? ??? 由上式可有 2x x w,x W/(m K)h y λθ?θ?? ?=- ? ? ??? 其中θ为过余温度,t t θ=-。

多孔介质传热学概论

H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y 传热学课程报告 报告题目:多孔介质传热学概论 院系: 班级: 姓名: 学号: 二零一二年十月

摘要:本文对多孔介质及其基本结构、传热传质的理论基础做了相关介绍,并对多孔材料的应用进行了说明和预期。 关键词:多孔介质;传热学;孔隙率;渗透率;导热系数 1 多孔介质简介 多孔介质是由固体骨架和流体组成的一类复合介质,其传热传质过程在自然界和人类生产、生活中广泛存在,它构成了地球生物圈的物质基础。从学科发展的角度看,多孔介质传热传质学已经渗透到许多学科和新技术领域,包括能源、材料、化学工程、环境科学、生物技术、仿生学、医学和农业工程,是形成新的交叉和边缘学科的一个潜在生长点。因此,多孔介质传热传质研究,是一项具有重大学术价值、对学科发展和技术创新具有深远影响的研究课题。 笼统地说,大部分材料都属于多孔介质,目前还没有对多孔介质各种特性的确定性作出准确的定义。1983年提出多孔介质具有以下特点:(1)部分空间充满多相物质,至少其中一相物质是非固态的,可以是液态或气态。固相部分称为固相基质。多孔介质内部除了固相基质外的空间称为空隙空间。(2)固相基质分布于整个多孔介质,在每个代表性初级单元均应有固相基质。(3)至少一些空隙空间应该是相联通的。 2 多孔介质的基本结构特征 多孔介质的孔隙率 多孔介质的结构是非常复杂的,我们不可能精确地描述这些孔隙表面的几何形状,也很难确切地阐明孔隙空间所包含的流体及其与固体表面相互作用所出现的有关微观物理现象。因此研究者往往引入“容积平均”的假设,并且将复杂多相的多孔体系看成一种在大尺度上均匀分布的虚拟连续介质,即不同流速层中流体分子间碰撞交换动量,宏观表现为流体是以粘滞形式出现的流动,从而可以利用表观当量参数的唯象方法进行研究,而不必去研究每一个孔隙中流体流动和换热的情况,使一个原本非常复杂的流动问题得以简化。

对流传热与传质讨论复习题

对流传热与传质期末复习题 1(徐婷)、结合外掠平壁层流对流换热的求解,试述由边界层控制方程得到精确解和利用边界层积分方程式得到近似解两种方法的主要步骤、特点并比较其结果。 2(朱蕙)、同样是层流对流换热,为什么外掠平壁的Nu ~Re 1/2,而管内充分发展的则h X =常数? 3(赖志燚)、以常压下20℃的空气在10 m/s 的速度外掠表面温度为45℃的平壁为例,计算离平壁前缘1mm 、2mm 、5mm 、10mm 、50mm 、100mm 、200mm 、300mm 、1000mm 、2000mm 、5000mm 、100000mm 处局部表面换热系数和平均换热系数(已知20℃的空气λ=0.0259W/(m.K))。分析外掠平壁对流换热系数随距平壁前缘距离x 的变化规律,比较层流、过渡流、湍流时的对流换热系数并给以说明。 4(陈凯)、试说明管内充分发展的湍流换热和层流换热的本质区别,并分别简述其换热系数的计算方法及步骤。 5(梁志滔)、为什么当冷凝换热温差增大时,冷凝换热系数减小?说明冷凝器为何多采用横管结构,结合工程实际说明维持较大的冷凝换热系数应采取的措施。 6(杨帅)、试结合Rohsenow 的大容器核态沸腾换热关系式说明汽泡跃离加热面的运动是影响换热的最重要的因素。 7(邹伟)、一温度为120℃、高为1.2m 的竖壁,放置于温度为20℃的空气中,试计算离竖壁下端0.25m 处的局部表面换热系数。该壁面上是否会出现湍流边界层?如果出现的话,过渡为湍流边界层的位置在何处?已知20℃的空气ανv g m K 2 73114710=?--.。 8(钟世青)、3#机油以1134 kg/h 的流量在直径为12.7 mm 的管内流动,油温从93 ℃被冷却到67 ℃,管内壁温度为20 ℃。已知t f =80 ℃时,ρ=857.4 kg/m 3,λ=0.138W/(m.K) ,p c =2131J/(kg.K) ,Pr=490,μ=114.7kg/(m.K), w t =20℃时w μ=2879kg/(m.h)。若不考虑物性随温度的变化,计算所需换热管长度。高Pr 数的油类在换热器管程内的常用流速为0.5~1.8 m/s ,试通过上述实例计算说明其流动形式和换热特性,并说明应如何计算其在换热器内的换热系数。 9(刘志成)、既然对流换热包含了流体中温度不同的各部分之间发生宏观相对运动和相互掺混所引起的热量传递,为什么管内流动和热充分发展段的对流换热系数仅具有导热的特征而没有对流的特征?

传热传质

姓名:付杰 学号:14206040667 专业:建筑与土木工程 多孔介质传热传质分形理论初析 [摘要] 对分形理论在多孔介质传热传质过程中的应用进行了初步的分析,求出了基于分形理论的多孔介质固有渗透率和有效导热系数,建立了多孔介质渗流与导热的分形模型。 引言 多孔介质是由固体骨架和流体组成的一类复合介质,它构成了地球生物圈的物质基础。多孔介质传热传质在自然界和人类生产、生活中广泛存在.它对国民经济的发展、科学技术的进步以及人民生活水平的提高具有重要的影响.土壤中水、肥、污染物的吸收、保持和迁移过程的人工控制,节水农业工程的实施,地下岩层中石油、天然气和地下水资源的开采,地热能的开发利用等,都涉及到多孔介质中能量和物质的传输问题;动植物中的生命过程也是在多孔介质中发生的传热传质和生化反应的复杂热物理过程;与人民生活密切相关的农副产品、食品、建材和纺织品的干燥、建筑物的隔热保温也是典型的多孔介质传热传质过程;现代铸造技术、燃烧技术、冷冻技术、催化反应技术和各类轻工技术的发展,都与多孔介质传热传质过程密切相联。因此,研究多孔介质传热传质过程对于改造自然、造福人类都具有重

大的经济和社会意义。 从学科发展的角度看,多孔介质传热传质学已经渗透到许多学科和新技术领域,包括能源、材料、环境科学、化学工程、仿生学、生物技术、医学和农业工程,是形成新的交叉和边缘学科的一个潜在生长点。因此,多孔介质传热传质研究,是一项具有重大学术价值、对学科发展和技术创新具有深远影响的研究课题,已成为国内外工程热物理、地球和环境科学中最活跃的前沿研究领域之一。 以期以来,人们对多孔介质中的传热传质过程进行了大量的理论和实验研究,在理论模型和热质迁移机理方面已经发展了能量理论、液体扩散理论、毛细流动理论和蒸发冷凝理论等描述多孔介质中热质迁移过程的单一理论模型之后,Philip,DeVries, Luikov又发展了多孔介质热质迁移的热力学理论和综合理论以及相应的数学描述,对多孔介质传热传质的研究起到了重要的推动作用。 但是,由于多孔介质内部结构十分复杂,一般是由大小颗粒、碎片或小组织聚集而成的结构,没有特征尺度且极不规则,其内部发生的热质传递过程与传统的均匀介质中发生的过程有很大的差异,各类迁移参数随着实际多孔介质内部的几何结构的不规律性而出现容积范围内的不均匀性和不确定性.上述各种现有的多孔介质传热传质理论和模型,都是直接或间接地把新研究的多孔介质看作是一种在大尺度上均匀分布的虚拟连续介质,在研究中采用“容积平均”的基本方法,即采用平均物性和空隙的平均几何分布来进行过程的研究.显然,这种“容积平均”的假设与实际多孔介质内部状态存在着很大的差异,

传热传质学考试重点

考试形式 闭卷,时间120分钟,包括简答、分析和计算。带计算器、作图工具。 简答和分析主要涉及基本概念、表达式、简单问题的推导原理等。 计算题请重视课程中布置的习题、PPT中的例题等。 考试重点 第一章 1、三种传热方式的概念、基本表达式 2、能量守恒的原理,并会利用能量守恒进行简单计算 3、物理量单位及换算 第二章 1、温度场(等温面、等温线)的概念、温度梯度、热流线 2、热导率的定性大小关系(固体、液体、气体) 3、热扩散系数 4、重点掌握三维直角坐标、圆柱坐标、球坐标下的导热微分方程推导过程与原理,及简化条件 5、三种边界条件的物理意义与表达形式 第三章 1、重点掌握三种坐标下导热、对流、辐射热阻的意义与表达式,会利用热阻分析法计算复合壁导热问题 2、接触热阻的定义与消除接触热阻的方法 3、熟悉有内热源情况下的一维稳态平壁导热问题并做简单分析 第四章不做考试要求 第五章 1、重点掌握集总热容法原理和使用条件,会利用集总热容法对瞬态导热问题进行计算 2、掌握无量纲数Bi、Fo(中英文名、物理意义和表达式) 第六章 1、边界层(速度、温度、浓度)的含义、流体流态的转变 2、影响对流换热系数的相关物理因素、对流换热系数的相对大小关系(自然/

受迫,相变/非相变)、平均对流换热系数和局部对流换热系数的区别与联系 3、重点掌握各类常用的无量纲数(中英文名、物理意义和表达式,表6.2) 4、会利用相似性原理进行简单计算 第七章——第九章 1、重点掌握给定Nu计算公式条件下的简单对流换热计算(外掠平板、通过圆管的内部流动、平板附近的自然对流) 2、等温平板和等热流密度平板边界条件的区别、对数平均温差的意义 第十章——第十一章不做考试要求 第十二章 1、黑体辐射的三大定律 2、漫发射体(反射体)的概念、灰体的概念 3、吸收率、反射率、透过率的定义,及基尔霍夫定律的表达意义 4、有效辐射密度的概念 第十三章 1、会使用代数方法简单计算表面间的视角系数 2、掌握表面辐射热阻、空间辐射热阻的定义,会画辐射热网络图,并利用辐射 热网络图分析漫射灰表面之间的辐射换热 第十四章 1、扩散传质、对流传质的物理机制与斐克定律 2、传质与传热相关物理量的类比关系。

多孔介质球体颗粒模型传热传质数值模拟及分析_刘宇卿

多孔介质球体颗粒模型传热传质数值模拟及分析 刘宇卿韩战 (中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,100083) 摘要:针对多孔介质传热传质的复杂性,本文利用非等径球颗粒模型构建了一类由颗粒胶 结而形成的多孔介质,通过Fluent数值模拟对多孔介质热传导机理进行了研究,得出了 多孔介质骨架颗粒的热传导规律,证明了利用局部非热平衡模型研究多孔介质传热的正确 性,得到了孔隙介质颗粒体表面热流密度与内部流速、粒径尺寸有重要的内在联系。其中 对非等径球体颗粒堆积模型的研究证明了在同一多孔介质体内不同粒径尺寸的颗粒流固壁 面热传导系数也存在不同。在对渗流问题进行分析时,提出了等径球规则排列模型的不 足,并分析了其中原因,然后利用非等径球模型再次对砂岩渗流问题进行了研究,得到了 更好的结论。 关键词:多孔介质,球体颗粒模型,数值模拟,传热 一、引言 本文将通过构建的球体颗粒排列的多孔介质模型结合多孔介质传热传质理论来进行数值模拟工作。考虑到砂岩中石英的导热系数相对较小,在传热机理分析时,我们采用传热系数相对大的铜作为骨架颗粒,将模拟结果进行提取、分析,并与经验公式进行比对,验证颗粒排列模型分析方法的可行性,并做出简要总结。之后我们利用石英作为骨架颗粒构建砂岩模型,对不同渗流情况下砂岩模型的传热情况进行分析。得到砂岩模型的导热系数、渗透情况等。最后利用砂岩模型与工程实际进行比对,确定此模型的适用性。 二、研究方法及模型的建立 2.1 模型建立 在低流速情况下,与等径模型相同的是在流速方向上球体颗粒表面热流密度呈递减趋势,不同点是非等径球颗粒模型第二排球颗粒表面热流密度有些高于等径球颗粒模型第二排球颗粒表面热流密度。原因是低流速情况下由于上排颗粒及周围液体固液面平均温差相对较小,且温穿透层更厚,所以有更多的热流密度通过固体间的接触传递往下排颗粒,加上大球之间又有小球存在,加大了往下层颗粒的导热量,但同时小

多孔介质材料在低温下的传热特性实验研究

多孔介质材料在低温下的传热特性实验研究 温永刚,陈光奇 (兰州物理研究所,真空低温技术与物理国家级重点实验室,甘肃 兰州730000) 摘 要:对多孔介质材料在低温下的传热特性进行了实验研究,在填充液氮以后其低温维持时间明显增加,主要 原因是由于多孔材料的参与改变了传热特性;采用连续介质管束模型,用有限元分析软件对其整体温度场分布进行了数值模拟计算,计算结果和实验数据吻合。 关键词:多孔介质;低温传热;管束;有限元中图分类号:TK124;TB383 文献标识码:A 文章编号:1006-7086(2007)02-0098-04 EXPERIMENTALSTUDYONHEATTRANSFERCHARACTERISTICOF POROUSMEDIAMATERIALUNDERTHELOWTEMPERATURE WENYong-gang,CHENGuang-qi (NationalKeyLab.ofVacuum&CryogenicTechnologyandPhysics, LanzhouInstituteofPhysics,Lanzhou730000,China) Abstract:Anexperimentalstudyonheattransfercharacteristicofporousmediamaterialunderthelowtemperaturewasintroduced.Itindicatesthatthelowtemperaturemaintainingtimeincreasesobviouslyafterfillingintheliquidnitrogenduetotheparticipatingofporousmaterialwhichchangestheheattransfercharacteristic.Thebundleoftubesmodelandamethodofnumericalsimulationcalculationwiththewholetemperaturefielddistributionbyusingthefiniteelementanalysissoftwarewererecommended.Theresultaccordswiththeexperimentaldata. Keywords:porousmedia;heattransferunderthelowtemperature;bundleoftubes;finiteelement 1引言 随着传热传质学研究的不断深入及其研究领域的不断扩大,已逐渐渗透到微观世界。 研究范围从微米一直到纳米,极大地开阔了人类的视野。然而对于微观结构复杂的多孔介质材料,其传热传质特性的研究还很不成熟,诸多理论的建立都是基于各种各样的假设,造成与实验结果的偏离。 综合多孔介质的结构特征,可对其含义规定如下[1]:多孔介质材料是一种多相物质共存的组合体,在多相物质中至少有一相不是固体,它们可以是气相或液相,固相作为固体骨架,其余部分作为空隙空间,构成空隙空间的孔洞应当相互连通,即空隙内任意两点可以用一条完全位于其中的假想曲线连接起来。按照多孔介质材料的定义,可以认为玻璃纤维、陶瓷纤维、金属丝等毛细材料均属于多孔介质材料范畴。由于其自身的特殊结构,流体在其内部的传热特性相当复杂。 由于多孔介质结构的不均匀性以及各传递过程的相互影响,构成了多孔介质传热过程的复杂性,作者采用实验与数值模拟相结合的研究方法对其传热特性进行了研究。 作者选取玻璃纤维作为多孔介质材料进行实验并测量了实验数据,对其在低温下的某些传热特性做了 收稿日期:2007-01-18. 基金项目:真空低温技术与物理国家级重点实验室基金(9140C550801)资助。作者简介:温永刚(1978-),男,甘肃省陇西县人,硕士研究生,从事低温物理研究。 第13卷第2期2007年06月 真空与低温 Vacuum&Cryogenics 98

对流传热分析

对流换热分析 通过本章的学习,读者应熟练掌握对流换热的机理及其影响因素,边界层概念及其应用,以及在相似理论指导下的实验研究方法,进一 步提出针对具体换热过程的强化传热措施。 1. 对流换热概述 1.1. 定义及特性 对流换热指流体与固体壁直接接触时所发生的热量传递过程。在对流换热过程中,流体内部的导热与对流同时起作用。牛顿冷却公式 q=?×(t w?t f) 是计算对流换热量的基本公式,但它仅仅是对流换热表面传热系数h 的定义式。研究对流换热的目的是揭示表面传热系数与影响对流换热过程相关因素之间的内在关系,并能定量计算不同形式对流换热问题的表面传热系数及对流换热量。 1.2. 影响对流换热的因素 (1)流动的起因:流体因各部分温度不同而引起密度差异所产生的流动称为自然对流,而流体因外力作用所产生的流动称为受迫对流,通常其表面传热系数较高。 (2)流动的状态:流体在壁面上流动存在着层流和紊流两种流态。 (3)流体的热物理性质:流态的热物性主要指比热容、导热系数、密度、粘度等,它们因种类、温度、压力而变化。 (4)流体的相变:冷凝和沸腾是两种最常见的相变换热。 (5)换热表面几何因素:换热表面的形状、大小、相对位置及表面粗糙度直接影响着流体和壁面之间的对流换热。 综上所述,可知表面传热系数是如下参数的函数 ?=f u,t w,t f,c P,ρ,α,μ,l 这说明表征对流换热的表面传热系数是一个复杂的过程量,不同的换热过程可能千差万别。

1.3. 分析求解对流换热问题 分析求解对流换热问题的实质是获得流体内的温度分布和速度分布,尤其是近壁处流体内的温度分布和速度分布,因为在对流换热问题中“流动与换热是密不可分”的。同时,分析求解的前提是给出正确地描述问题的数学模型。在已知流体内的温度分布后,可按如下的对流换热微分方程获得壁面局部的表面传热系数 ?x=λ Δt x et ey w,x W/(m2·K) 由上式可有 ?x=λ Δθx eθ ey w,x W/(m2·K) 其中θ为过余温度,θ=t w?t f。 对流换热问题的边界条件有两类,第一类为壁温边界条件,即壁温分布为已知,待求的是流体的壁面法向温度梯度;第二类为热流边界条件,即已知壁面热流密度,待求的是壁温。 由于对流换热问题的分析求解常常要求解包括连续性方程、动量微分方程和能量微分方程在内的一系列方程,因此它的求解过程比导热问题要困难得多。 2. 对流换热微分方程组 2.1. 连续性方程 二维常物性不可压缩流体稳态流动连续性方程: eu ex +ev ey =0 2.2. 动量微分方程式 动量微分方程式描述流体速度场,可从分析微元体的动量守恒中建立。它又称纳斯-斯托克斯方程,简称N·S方程。 ρeu eτ+ueu ex +veu ey =X?ep ex +μ(e2u ex2 +e2u ey2 ) ρev eτ+uev ex +vev ey =Y?ep ey +μ(e2v ex2 +e2v ey2 )

真冰溜冰场冷负荷计算

真冰溜冰场冷负荷计算 发表时间:2019-08-05T15:55:21.877Z 来源:《基层建设》2019年第15期作者:刘剑平 [导读] 摘要:本文通过一个项目实例,详细介绍了真冰溜冰场冷负荷的计算过程,并对计算过程进行分析。 上海城凯建筑设计有限公司上海杨浦区 摘要:本文通过一个项目实例,详细介绍了真冰溜冰场冷负荷的计算过程,并对计算过程进行分析。 关键词:真冰溜冰场详细负荷计算 0.引言 笔者最近在做一个真冰溜冰场的暖通设计,在设计过程中发现,对于真冰溜冰场在现有的规范及设计手册中没有具体的负荷计算实例。设计手册中仅仅有负荷估算值及负荷分项计算表。因此,通过这个案例和相关的研究,笔者试图给出一个具体的真冰溜冰场的冷负荷详细计算。 1.真冰溜冰场方案介绍 项目位于河北邢台,为新建体育场馆内的一部分,室内冰场规格为61米x30米。采用乙二醇作为载冷剂的采用大流量间接制冰系统。乙二醇水溶液的供回水温度为-11.7 ℃ / -14.2 ℃,供回水温差取2.5℃。排管材料采用DN25的不锈钢管,外径32mm,间距80mm。排管平行于冰场长边,总供、回液管布置在冰场中间,采用三联箱中分式交叉供液方式。冰场使用用途:满足全年不同公众娱乐性滑冰。冰层表面积S 约1738平方米(60米x 30米,圆角半径8.5米),冰层厚度40mm,凝结厚度为40毫米冰层所需的时间:48小时。 2.制冷负荷计算 制冷量的计算必须考虑三个不同的操作情况,即保持冰块的制冷负荷,初次注水凝成冰块的制冷负荷和扫冰后再凝结冰块的制冷负荷。 2.1 保持冰块情况下,制冷负荷主要包括: A.地面(楼板)传热冷负荷,由下层穿过楼板及保温传至冰场的热量; B.对流传热与传质冷负荷,与冰场上空气的热交换量; C.辐射传热冷负荷; D.室内人员冷负荷,溜冰人员所产生的热量; E.水泵及管道的热损失,取所有其他冷负荷的15%。 其中A,B,C,D都是经由冰面传至制冷系统,但E是不经冰面传导的热量,所以计算冰场制冷负荷不需计算C,但计算制冷机组制冷负量时就要包括E。 A.地面(楼板)传热冷负荷 热量会由三楼顶板、保温等,传至冰场,计算的方法如下: B.对流传热与传质冷负荷 对流传热与传质冷负荷受空气的温度、湿度与冰场上空气的流动速度所影响,计算方法如下: C.辐射传热冷负荷; 根据热辐射理论,一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射。由于冰场表面的温度低,所以冰场周围的其他物体对冰面产生热辐

基于当前多孔材料传热传质分析研究报告

67 C H I N A V E N T U R E C A P I T A L TECHNOLOGY APPLICATION |科技技术应用 多孔介质是由固体骨架和流体组成的一类复合介质,它构成了地球生物圈的物质基础。多孔介质传热传质在自然界和人类生产、生活中广泛存在。它对国民经济的发展、科学技术的进步以及人民生活水平的提高具有重要的影响。土壤中水、肥、污染物的吸收、保持和迁移过程的人工控制,节水农业工程的实施,地下岩层中石油、天然气和地下水资源的开采,地热能的开发利用等,都涉及到多孔介质中能量和物质的传输问题;动植物中的生命过程也是在多孔介质中发生的传热传质和生化反应的复杂热物理过程;与人民生活密切相关的农副产品、食品、建材和纺织品的干燥、建筑物的隔热保温也是典型的多孔介质传热传质过程;现代铸造技术、燃烧技术、冷冻技术、催化反应技术和各类轻工技术的发展,都与多孔介质传热传质过程密切相联。多孔介质内对流传热的研究是目前传热传质领域最为热门的方向之一。随着金属材料制造技术的发展,特别是多孔泡沫金属的问世,由于其具有质量轻、极大的比表面积和极高的紧凑性等许多优点,有关以多孔泡沫金属作为换热设备的研究也正迅速开展起来。因此,研究多孔介质传热传质过程对于改造自然、造福人类都具有重大的经济和社会意义。本文主要对多孔材料基本理论进行介绍以及目前多孔介质内部流体流动的传热特性的介绍。 一、多孔材料的概述1. 多孔材料的概念 顾名思义,多孔材料是一类包含大量孔隙的材料。这种多孔固体材料主要由形成材料本身基本构架的连续固相和形成孔隙的流体相所组成,其中流体相又可随孔隙中所含介质的不同而出现两种情况,即介质为气体时的气相和介质为液体时的液相。所谓多孔材料,须具备如下两个要素:一是材料中包含有大量的孔隙;二是所含孔隙被用来满足某种或某些设计要求以达到所期待的使用性能指标。可见多孔材料中的孔隙是设计者和使用者所希望出现的功能项,它们为材料的性能提供优化作用。 图1 多孔介质示意图 2.多孔材料的类型 在工程中常常用到的多孔材料有:多孔金属材料、多孔陶瓷材料、泡沫塑料。严格分类如下: 表1 按多孔材料的来源和固相骨架的化学成分进行分类 天然多孔材料人工多孔材料 非生物性多孔材料(岩石、土壤、砂土)生物性多孔材料(木材、竹、谷物、珊瑚、动物骨骼、海绵) 金属多孔材料(粉末烧结型、纤维型、铸造 型、沉积型、 复合型) 无机多孔材料(多孔陶瓷、混凝土) 有机多孔材料(泡沫塑料)表2 考虑对传热传质有直接影响的结构特征进行分类 固-气(含气)多孔材料 固-液-气(含水)多孔材料 孔隙封闭孔隙连接 非吸湿性吸湿性非吸附性吸附性 非浸润性浸润性 二、多孔材料传热传质研究内容 多孔材料由于其组成的成分与结构不同及所处外部条件不同,导致其内部发生的传热传质现象极不相同。 1.热传导 热传导是多孔材料传热传质现象中最基本形式之一,它主要存在于固相骨架内。热传导现象不涉及物质的宏观迁移,热量由高温处传向低温处。热传导也称热扩散。如果多孔材料内固相骨架为各向异性,则材料的导热系数为各向异性,相应地, 基于当前多孔材料传热传质分析研究报告 华北电力大学 能源动力与机械工程学院 李梦源 材料内的传热具有方向性。对于封闭型孔隙的多孔出材料,例如用于隔热的泡沫塑料,其中孔隙内的流体可视为处于静止状态,这样,材料内热量的传递也不涉及物质的宏观迁移,这类多孔材料内的传热从其总体效果来看也可视为热传导,只是对材料的导热系数赋予了新的含义,引入等效导热系数(effective thermal conductivity)这一新概念。以等效导热系数研究多孔材料的导热,这种方法成为等效导热系数法。该方法的关是根据多孔材料的结构以及固相骨架与孔隙中流体的导热系数,在此技术上正确选取或建立计算等效导热系数的公式。 2.渗流、热对流与对流传热 在孔隙相互连通的多孔材料内,当相邻孔隙内流体的压力不相同时,流体会从高压处刘翔低压处。对于有效孔隙率低的材料,其渗透率很低,流体的流动速度很缓慢。流体在孔隙间的缓慢流动称为渗流,渗流服从达西定律,通常用雷诺数Re ≦1.0作为判断渗流的条件。例如,孔隙直径d=30μm,孔隙中空气的运动粘度v = 14.8×10-6m 2/s,取雷诺数 ,则按雷诺数Re = 1.0的定义式可得空气渗流的极限速度 ω为 若在此多孔材料内空气的流动速度不大于0.5m/s 即为渗 流;若孔隙中为液相水,液相水的运动粘度v = 1.01×10-6m 2/s,则水的渗流极限速度为ω = 3cm/s。由于渗流的流动速度很小,孔隙内的流体几乎处于静止状态,因此,多孔材料内固相骨架与流体接触处固体与流体之间的温度差别很小,可以假定相同,称为局部热平衡。 随着流体的渗流,也将其携带的能量由高压处传输到低压处,这种能量传输称为热对流。在流体热对流过程中,由于温 度差别而引起的热传导也同时存在于流体内。在某些条件下,如高含水率,流体的导热系数大于固相骨架导热系数,流体中的热传导也可能超过相固中热传达,在讨论诸如高含水率材料干燥时,必须考虑到水中的导热。但在低含水率条件下,孔隙中的流体的热传导总是小于固相骨架热传导。 当材料处于高温气流环境中,高温的气流向低温的材料表面传输热量,这种传热方式称为表面对流传热,简称对流传热。同样,相反的情形,高温的材料表面向低温的气流传输热量,也是对流传热。就引起流体流动的原因而论,对流传热可区分为自然对流与强制对流两类。自然对流是由于流体内部各部分的密度不同而引起的流体的流动,而强制对流则是由诸如鼓风机、水泵等设备强制产生的流体流动。 热对流与对流传热的差别是,前者是指流动流体内部由于流动引起的热量传输而后者是指流动流体与其相接触的固体表面间由于温度不同引起的热量传输。 三、结语 近年来多孔材料的迅速发展使越来越多的人对其产生了浓厚的兴趣。多孔材料的研究正逐步成为整个材料科学领域中一个非常活跃的分支。在多孔材料的应用方面,传热传质问题在多个领域均有涉及,因此,多孔材料的传热传质问题是一个热点问题,本文介绍了该问题的数值研究方法,使作者受益匪浅。 参考文献: [1]《多孔材料传热传质及其数值分析》 清华大学出版社 俞昌铭 著. [2]《多孔材料引论》 清华大学出版社 刘培生 著. [3]《考虑局部非热平衡的流体层流横掠多孔介质中恒热流平板的传热分析》 李菊香, 涂善东 (1 南京工业大学能源学院, 江苏南京210009 ; 2 华东理工大学机械与动力工程学院, 上海200237. [4]达西定律 由法国水力学家 H.-P.-G.达西在1852~1855年通过大量实验得出。其表达式为Q=KFh/L. 作者简介:李梦源,(1991-),女,福建人,华北电力大学本科生,热能与动力工程专业,实验动09班。

一种多孔介质太阳能吸热器传热研究

2010 年第3期 能 源研究与利用 研究与探讨 基于高温空气Brayton 循环的太阳能热发电具有热力循环温度高、 发电效率高和节水等优点,被认为是太阳能热发电的有效途径之一,具有非常好的应用前景。其中吸热器是完成光热能源转换的关键设备,太阳辐射被聚集到金属或非金属材质的吸热体表面,将其加热,空气流过该表面时即被吸热体加热,空气出口温度可以高至800~1000℃[1~2]。 近年国内外对吸热器强化传热、传热材料等竞相开展研究和开发[2~7]。由于太阳能聚光能流密度高并具有不均匀性和不稳定性的特点,造成了吸热体材料热应力破坏、空气流动稳定性差以及可靠性不高,这是制约Brayton 循环太阳能热发电技术商业化应用进程的主要瓶颈。 碳化硅陶瓷材料的导热系数大、强度高、热膨胀系数低、抗热冲击能力强并且抗高温氧化性能优异,将其制成具有三维网络状结构特征的多孔介质材料,有利于强制对流热交换。将高性能泡沫碳化硅陶瓷用于太阳能高温空气吸热器的研制,有望提高现有吸热器技术性能,推动太阳能热空气发电技术的商用化进程。用于太阳能高温空气吸热器的碳化硅 陶瓷材料见图1。[8~9] 图1多孔介质太阳能吸热器材料 本文建立碳化硅泡沫陶瓷空气吸热器的传热传质模型,利用已有的吸热器传热体积对流换热系数模型,采用数值方法求解吸热器温度场,并研究结构参数与运行参数对吸热器温度场分布的影响。 1传热模型 多孔陶瓷吸热器的吸热表面接受太阳的辐射能量,通过导热形式在固体骨架间向内部传递,而空气穿过多孔介质时,与多孔介质发生强制对流换热,空气被加热,温度上升,同时降低多孔介质固体骨架温度,保护了吸热器的安全性,其传热传质过程见图2。 多孔陶瓷高温空气吸热器的温度场和流场可以简化为某一个纵截面二维模型,下面建立多孔介质中的传热传质相关数学模型。 一种多孔介质太阳能吸热器传热研究 许昌1,2 ,刘德有1,郑源1,张德虎1,吕剑虹3 (1.河海大学,南京210098;2.爱荷华大学,美国爱荷华州爱荷华城52246;3.东南大学,南京210096) 摘要:为了研究塔式太阳能多孔介质吸热器的传热传质特性,建立吸热器稳态传热模型,选 择适合多孔介质太阳能吸热器的体积对流换热系数模型,采用数值方法求解,并分别分析孔隙密度、孔隙率和入口空气速度对温度场的影响。文中技术可以为同类型太阳能吸热器的设计和改造提供参考。 关键词:太阳能塔式发电;吸热器;多孔介质;稳态数值研究Abstract:In order to investigate the heat transfer characteristics of a porous media solar power tower plant receiver,this paper proposes the mass and heat transfer models in the porous media so -lar receiver,chooses the preferable volume convection heat transfer coefficient model,solves these equations by the numerical method,and analyzes the typical influences of the cell density,porosity,air inlet velocity on the temperature distribution.The paper can provide a reference for this type of receiver design and reconstruction. Key words:solar power tower plant ;receiver ;porous media ;steady numerical investigation 中图分类号:TK531文献标志码:A 文章编号:1001-5523(2010)03-01-041··

对流传热与传质

对流传热与传质 第一章导论 第二章守恒原理 §2.1质量守恒原理 §2.2动量定理 §2.3能量守恒原理 第三章流体应力与通量定律 §3.1粘性流体应力 §3.2傅立叶热传导定律 §3.3费克扩散定律 §3.4输运性质的无量纲组合 §3.5湍流输运系数 第四章边界层的微分方程 §4.1边界层概念 §4.2连续方程 §4.3动量方程 §4.4质量扩散方程 §4.5能量方程 §4.6湍流边界层方程 第五章边界层的积分方程 §5.1动量积分方程 §5.2排量厚度与动量厚度 §5.3动量积分方程的其它形式 §5.4能量积分方程 §5.5焓厚度与传导厚度 §5.6能量积分方程的其它形式 第六章动量传递:外部层流边界层 §6.1相似性解:常物性和恒定自由流速度时的层流不可压缩边界层 §6.2时的层流不可压缩边界层的相似性解 §6.3时的层流不可压缩边界层的相似性解 §6.4非相似动量边界层 §6.5由动量积分方程导得的恒定自由流速度时的层流边界层近似解 §6.6旋成体上自由流速度任意变化时的层流边界层近似解 第七章传热:外部层流边界层 §7.1沿定温半无限大平板的恒定自由流速度时的流动 §7.2沿定温半无限大平板的流动 §7.3沿具有吹出或吸入的定温半无限大平板的流动 §7.4非相似热边界层 §7.5沿具有未加热起始长度的半无限大平板的恒定自由流速度的流动 §7.6沿具有任意指定的表面温度的半无限大平板的恒定自由流速度的流动§7.7沿具有任意指定的表面热通量的半无限大平板的恒定自由流速度的流动§7.8任意形状的定温物体上的流动 §7.9任意形状且具有任意指定的表面温度的物体上的流动 §7.10具有边界层分离的物体上的流动

传热课后问答题答案

绪论 1.冰雹落地后,即慢慢融化,试分析一下,它融化所需的热量是由哪些途径得到的? 答:冰雹融化所需热量主要由三种途径得到: a 、地面向冰雹导热所得热量; b 、冰雹与周围的空气对流换热所得到的热量; c 、冰雹周围的物体对冰雹辐射所得的热量。 2.秋天地上草叶在夜间向外界放出热量,温度降低,叶面有露珠生成,请分析这部分热量是通过什么途径放出的?放到哪里去了?到了白天,叶面的露水又会慢慢蒸发掉,试分析蒸发所需的热量又是通过哪些途径获得的? 答:通过对流换热,草叶把热量散发到空气中;通过辐射,草叶把热量散发到周围的物体上。白天,通过辐射,太阳和草叶周围的物体把热量传给露水;通过对流换热,空气把热量传给露水。 3.现在冬季室内供暖可以采用多种方法。就你所知试分析每一种供暖方法为人们提供热量的主要传热方式是什么?填写在各箭头上。 答:暖气片内的蒸汽或热水对流换热暖气片内壁导热暖气片外壁对流换热和辐射室内空气对流换热和辐射人体;暖气片外壁辐射墙壁辐射人体 电热暖气片:电加热后的油对流换热暖气片内壁导热暖气片外壁对流换热和辐射室内空气对流换热和辐射人体 红外电热器:红外电热元件辐射人体;红外电热元件辐射墙壁辐射人体 电热暖机:电加热器对流换热和辐射加热风对流换热和辐射人体 冷暖两用空调机(供热时):加热风对流换热和辐射人体

太阳照射:阳光辐射人体 4.自然界和日常生活中存在大量传热现象,如加热、冷却、冷凝、沸腾、升华、凝固、融熔等,试各举一例说明这些现象中热量的传递方式? 答:加热:用炭火对锅进行加热——辐射换热 冷却:烙铁在水中冷却——对流换热和辐射换热 凝固:冬天湖水结冰——对流换热和辐射换热 沸腾:水在容器中沸腾——对流换热和辐射换热 升华:结冰的衣物变干——对流换热和辐射换热 冷凝:制冷剂在冷凝器中冷凝——对流换热和导热 融熔:冰在空气中熔化——对流换热和辐射换热 5.夏季在维持20℃的室内,穿单衣感到舒服,而冬季在保持同样温度的室内却必须穿绒衣,试从传热的观点分析其原因?冬季挂上窗帘布后顿觉暖和,原因又何在? 答:夏季室内温度低,室外温度高,室外物体向室内辐射热量,故在20℃的环境中穿单衣感到舒服;而冬季室外温度低于室内,室内向室外辐射散热,所以需要穿绒衣。挂上窗帘布后,辐射减弱,所以感觉暖和。 6.“热对流”和“对流换热”是否同一现象?试以实例说明。对流换热是否为基本传热方式? 答:热对流和对流换热不是同一现象。流体与固体壁直接接触时的换热过程为对流换热,两种温度不同的流体相混合的换热过程为热对

微细多孔表面混合工质核态沸腾传热特性实验研究

华北电力大学硕士学位论文 目录 摘要…………………………………………………………………………………………………一IABSTRACT…………………………………………………………………………………………………..II 第l章绪论…………………………………………………………………………..11.1课题背景和意义…………………………………………………………….11.2沸腾传热的基本概念……………………………………………………….21.3池内核态沸腾换热机理…………………………………………………….31.3.1微对流假设…………………………………………………………..3 1.3.2汽液交换机理………………………………………………………..4 1.3.3液体微层气化机理…………………………………………………..4 1.3.4核态沸腾传热的复合模型…………………………………………..41.4微细多孔球层通道中混合工质核态沸腾的最新研究进展……………….61.4.1换热表面的几何因素………………………………………………..6 1.4.2流体的物理性质……………………………………………………..7 1.4.3系统压力的因素……………………………………………………..8 1.4。4沸腾传热研究方法…………………………………………………..81.5主要研究内容……………………………………………………………….8第2章高碳醇溶液的配制、物性测量以及多子L结构表面特性分析…………‘….102.1引言…………………………………………………………………………lO2.2高碳醇溶液制备……………………………………………………………102.3物性测量……………………………………………………………………112.3.1高碳醇溶液表面张力测量…………………………………………1l 2.3.2高碳醇溶液接触角测量……………………………………………14 2.3.3高碳醇流体导热系数分析…………………………………………l82.4铜介质表面微尺度观测……………………………………………………19 lV

两方程模型在多孔介质的热传导

两方程模型在多孔介质的热传导 J. G.福里1,*和J. P.普莱西2 1不列颠哥伦比亚省,科技,3700威灵顿大道,本拿比,BC,加拿大研究所V5G3H2 斯泰伦博斯,私人袋X1,Matieland7602大学教研室应用数学, 南非 摘要。两方程模型在多孔介质的热传导的配方,研制 在过去的研究中,被施加到稳定状态的一维热传导的情况下,在多孔 这是由类似规模的几何相似的单位责令空间分布的媒介。 对于这种情况的研究中,模型预测本地体积平均温度分布的 固体和流体相进行比较,以在微观水平的数值解,示出 优秀的协议。 关键词:传热,数学建模,能量方程,音量平均,非热平衡, 有效的热导率,加上导热性。 1.简介 当地平均量在本文的第一部分(福里和杜立石,2003年),该方法 被用来开发两个方程执政微分方程模型 描述的热养护在宏观水平的多孔各相 介质中的扩散是热传递的主要手段,并在其中 的相位不与彼此热平衡。该模型构成 由方程为固相,给定为 单独的控制方程每相允许应用程序案件中, 的相位不与彼此热平衡。 在方程(1)和(2),HSF,KSS和KFF,以及KSF和KFS是 被分别称为界面传热传输参数

系数,固相和液相有效热传导率 张量,并且所述固相和液相耦合的热传导 张量。界面的传热系数被定义为 HSF≡- ? ?TNN?γ γ 0- ?TNNφ φ ? 1 ASF ? ASF kγ?Tnn,γ·nγφdA的 ,(3) 其中,γ= s和φ= F,以及反之亦然,TNN是无方向性的非平衡温度分布,在第一部分中定义的有效, 耦合的热导率张量KSF和KFS,被分别定义为 kγγ≡ ? 米 KND,γ,MKE,γ,M +(εφ/εγ)KND,φ,mknd,γ,男KND,γ,M +(εφ/εγ)KND,φ,男 青霉,(4) 和 kγφ≡ ? 米 KND,φ,男 ? 科,γ,米- KND,γ,男 ? KND,γ,M +(εφ/εγ)KND,φ,男 他们,(5) 其中m是为原则方向在多维总和索引 域和EM代表在原则方向基本单位向量。(由于这些 是对角张量,单方向性指数为足以在其组分)。在 的热导率张量的定义(4)和(5),科和KND是组件 的平衡和非平衡热导张量,分别 和被定义为 科,γ,男≡ Kγ ??Te/

含湿多孔介质的干燥特性

含湿多孔介质是一种较为普遍的、由固体骨架和流体组成的复合介质,广泛存在于能源、材料、化学工程、生物技术、药品、生物、农业工程、食品、冶金和水文等领域之中,如谷物等农作物的通风储存、中草药的干燥问题等等,是大量干燥作业的主体,它的干燥过程,尤其是发生在高紊流区的高强度干燥过程是一个复杂的传热传质过程,研究多孔介质干燥过程及干燥特性对摸索多孔介质传热传质规律具有重要的意义,因此引起了人们的极大关注。 一般说来,水分在含湿多孔介质中的存在形式有两种基本类型[1]:自由水和结合水,但在实际干燥过程中,由于物料种类不同,内部多孔结构的错综复杂,外部干燥条件与干燥方式各异,使得物料内水分形态与分布规律不同,水分的排出机理与干燥特性也不同。研究表明,含湿多孔物料在干燥过程中存在着5种可能的湿分迁移机制[2],它们分别为: (1)湿分(液体和蒸汽)在浓度梯度作用下的扩散迁移; (2)由毛细管力(表面能力)引起的液体在毛细管内的流动迁移; (3)湿分在压力梯度作用下在多孔介质空隙中的渗流迁移; (4)由于物料内部温度梯度而引起的湿分热扩散迁移; (5)湿分在毛细通道中蒸发与冷凝所引起的湿分迁移。在上述5种基本的迁移模式中,热扩散迁移是传热传质过程中的一项交叉效应,与其他几种迁移模式相比要小得多。一般认为,在通常的干燥过程中热扩散迁移可以忽略不计。其他4种迁移模式将在不同的干燥工况中扮演不同的角色。 自从Luikov利用不可逆热力学原理建立多孔介质热质传递的系统理论后,多孔介质干燥过程中热质传递的数学模拟和分析成为研究重点,但由于Luikov理论的特性使模型中系数作了常数性的假设,限制了结果的普遍性,因此近年来对多孔介质干燥过程的传递机理及其数学模型的研究引起了国内外的广泛关注,众多学科都依据各自研究的物料和干燥方式,提出了各自的干燥机理和模型[3 ̄7]。迄今为止,在研究多孔介质干燥过程中湿分迁移的基础上,已发展了一系列的传热传质机理模型[8 ̄22],如最早提出的扩散模型、三场耦合理论、连续介质模型、等效耦合扩散模型、渗透蒸发前沿理论、区域蒸发模型、蒸发—冷凝模型等,所有这些理论都认为物料外部水蒸汽的扩散过程驱动势为水蒸汽质量浓度梯度(或分压力梯度),热量传递过程的驱动势为温度梯度,并据此得到了一系列研究成果,但都没有考虑物料本身的结构,即多孔物料内孔隙大小分布对干燥过程的影响,因此得出了一些令人困惑、甚至与热力学原理相悖的结论,如当以质量分数作为扩散过程驱动势时,按照ChowandChung的计算会得到与热力学原理相违背的空气沿化学势增高的方向进行扩散的结论。文献[23 ̄26]在建立干燥理论模型时虽然也曾考虑到物料的体积收缩,但只是简单地认为在整个干燥过程中物料体积随含湿量呈线性减少,没有深入分析体积收缩产生的原因及其对干燥过程的影响,从而使得各种理论模型都只能适用于特定的干燥过程与被干燥物料。 由于体积收缩特性是含湿多孔介质在干燥过程中的一个固有属性,它直接影响干燥过程中含湿多孔物料与干燥介质之间的热质传递规律,进而影响干燥过程的组织、干燥设备的设计、过程能量利用率与干燥产 含湿多孔介质的干燥特性 郑阳1廖传华2黄振仁2 (1.国家电力公司南京自动化研究所,南京210009;2.南京工业大学机械与动力工程学院,南京210009) 摘要:基于含湿多孔介质的水分蒸发过程及其内部毛细管水分的蒸发特性,分析了含湿多孔介质在干燥过程中发生体积收缩的原因,讨论了多孔介质的物性和外部干燥条件对其体积收缩特性的影响。 关键词:多孔介质;干燥;特性

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