考虑内热源的部分填充多孔介质通道内对流传热特性研究

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研究考虑内热源的多孔介质传热问题在某些领域如化学反应中的吸放热反应、电子器件的散热问题、农业方面对于农产品的存放和保鲜、易燃物质(煤粉)自燃等工程应用中普遍存在。研究考虑内热源的部分填充多孔介质通道内对流传热特性具有一定的现实意义。首先,本文基于多孔介质局部非热平衡(LTNE)模型,对考虑内热源条件下的部分填充多孔介质通道内流体流动及传热特性进行研究。假设内热源存在于多孔介质区固相。多孔介质区的运动方程采用Brinkman-extended Darcy模型进行计算,在多孔介质区和自由流体区界面处,采用速度连续且应力跳跃的界面模型。忽略辐射传热和自然对流的影响,求得了考虑内热源条件下的部分填充多孔介质通道内流体的速度场分布和温度场分布的解析解,并分析了不同特性参数如界面应力跳跃系数β、内热源Ws、毕渥数Bi、导热系数比K、达西数Da和自由流体区无量纲高度S等对通道内换热性能的影响,同时对多孔介质区内最大流固温差值Δθmax进行了分析。研究结果表明:在较大Da、较小S及低β下,需要考虑β对流体速度的影响,且当Da较小时,多孔介质区内流体速度会出现不随Y而变化的速度称为Darcy速度,并且此Darcy速度会随Da的减小而减小。考虑内热源条件下的多孔介质区内流固两相温差值大于无内热源时的情况,增大Bi、减小K、增大S、减小β及减小Da都会引起多孔介质内流固两相温差减小。此外,当引入内热源时,K和Bi对Δθmax的影响规律与无内热源时相同,较小K、较大Bi和较大S都会使两相之间的最大温差Δθmax减小,表明了LTE的有效性,而增大Ws绝对值会增加多孔介质区内流固两相温差,此时需要考虑局部非热平衡效应。Da对Δθmax的影响仅在当K较大且较小S时不可忽略。值得一提的是,改变内热源吸放热性会使多孔介质区内流固相发生温度分岔现象。进一步在引入固相内热源的前提下考虑惯性效应,并采用有限差分法得到部分填充多孔介质通道内各区域速度及温度分布和努塞尔数的数值解,并进一步分析了相关参数对速度场、温度场及努塞尔数的影响。结果表明:惯性参数Ff对通道内各区域流体速度的影响会受Da的降低及空心率S的增大而削弱,Ff对流体速度的影响仅在Da较大和S较小时需要考虑。Nu随着固相内热源Ws的增大逐渐减小,Ws的较小改变,都会使Nu改变较大,由此可知Ws对通道的换热效果影响较大。增加Ff和降低Ws绝对值都会使两相温差减小,且Bi、Ws和Ff对通道内温度分布的影响在较大K时更为明显,但无论是否考虑Ff,Ws吸放热性的改变对通道内流固相温度分岔现象都是一致的。
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