基于等效比热的MPCMs的传热理论研究

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微胶囊相变悬浮液(Microencapsulated Phase Change Materials slurry,MPCMs)是将相变材料微胶囊化,然后再与载流体进行混合的一种流体。相变微胶囊悬浮液在发生相变的过程中,和单相的流体进行比较,具有较大的相变潜热,可以增大传热系数,并且温度保持在一个很小的变化范围。目前,相变微胶囊悬浮液在机械,化学,余热回收利用,制冷设备,军事以及纺织等各个方面有着很好的应用和发展。
  本文以相变微胶囊悬浮液作为研究对象,通过采用单相流时处理边界层问题的能量积分方程法,基于等效比热模型,对微胶囊相变悬浮液(Microencapsulated Phase Change Materials slurry,MPCMs)的热边界层进行了理论建模,推导出了相变微胶囊悬浮液外掠平板换热加热等壁温边界条件层流工况下,包含斯蒂芬数的相变微胶囊悬浮液的对流换热关联式,然后与数值模拟结果进行比较。结果表明,对流传热系数的解析解与数值模拟结果趋势上相一致,但在数值大小上存在一定的误差,通过改变壁面温度,发现当壁面温度与进口温度的温差变小时,误差越小,并用壁面温度和进口温度的差值对公式进行修正,通过修正,修正后的理论解析解与ANSYS19.2软件进行数值模拟的结果高度的吻合。
  本文通过数值模拟与之前学者的相变微胶囊悬浮液圆管内强迫对流换热实验进行结果的验证,来证明本文采用的数值模拟的准确性。
  对相变微胶囊悬浮液外掠平板的对流换热通过ANSYS19.2软件进行了数值模拟,本文通过改变质量分数以及雷诺数来分析各个因素对相变微胶囊悬浮液外掠平板的传热特性的影响。当质量分数发生改变,传热系数的曲线趋势一致。随着质量分数的增大,传热系数增大。相变微胶囊悬浮液的质量分数增大,导致潜热变大,所以传热系数变大。当悬浮液的进口速度增大时,雷诺数变大,意味着流动边界层厚度的减小,流动边界层厚度的减小,速度梯度增大,可以增加流体间的对流,从而增加对流换热的效果,使得传热系数增大。
  同时通过对相变微胶囊悬浮液在圆管内的流动进行数值模拟,通过改变质量分数,雷诺数以及斯蒂芬数,来分析各个因素对相变微胶囊悬浮液液在圆管内的流动的传热特性的影响。结果表明,当相变微胶囊悬浮液流经被加热的圆管内,雷诺数、质量分数和斯蒂芬数三个参数的改变会影响传热特性,并且将推导所得的相变微胶囊悬浮液的对流换热关联式与模拟结果进行分析,发现对流换热关联式的形式也适用于圆管内流动。
  本文通过理论建模,从微观角度出发,得到了相变微胶囊悬浮液的对流换热关联式的方程形式,为包含雷诺数,斯蒂芬数以及普朗特数的多项式。为以后定性研究相变微胶囊悬浮液的对流换热规律提供了理论依据。
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