多孔介質(zhì)復(fù)合腔體內(nèi)自然對流及傳熱的實驗研究.pdf

1、自然界和實際工程中普遍存在多孔介質(zhì)和流體復(fù)合系統(tǒng)，系統(tǒng)中的流體流動和傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象也是無處不在，例如，糧食干燥過程、建筑圍護結(jié)構(gòu)、保溫材料、地下水污染、核能利用和微電子技術(shù)等。很多問題的本質(zhì)就是多孔介質(zhì)薄層與流體組成的復(fù)合腔體，其內(nèi)部的流體流動和傳熱傳質(zhì)在自然界和工程實際中引起學(xué)者們的廣泛關(guān)注?？紤]到測試技術(shù)的局限性，研究者很少對復(fù)合腔體內(nèi)的自然對流和傳熱現(xiàn)象進行實驗研究。然而隨著近年來測試的技術(shù)的飛速發(fā)展，對該領(lǐng)域的實驗研究成為可能，可

2、以真實準確的描述自然對流及傳熱的過程，將為工程實際提供可靠的理論依據(jù)和指導(dǎo)意義。
　　 本文采用了理論分析、數(shù)值計算和實驗相結(jié)合的研究方法，首先考慮了多孔介質(zhì)/純流體區(qū)域的交界面應(yīng)力滑移效應(yīng)，從而建立了復(fù)合腔體自然對流的兩區(qū)域數(shù)學(xué)模型，并利用有限元法輔以交界面弱約束條件對無量綱化的控制方程進行離散和求解。從中發(fā)現(xiàn)多孔介質(zhì)薄層厚度、位置和瑞利數(shù)對腔體內(nèi)自然對流及傳熱有著至關(guān)重要的影響；應(yīng)力滑移系數(shù)β1和β2對交界面處的速度和溫度有

3、影響，但對腔體內(nèi)整場速度和溫度分布影響不大。
　　 在理論分析和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，制作了不同孔隙率的多孔介質(zhì)薄層，加工了多孔介質(zhì)復(fù)合腔體實驗?zāi)Ｐ停S后搭建了實驗臺，采用二維粒子圖像測速PIV技術(shù)對水平方向上左右壁面設(shè)定了溫度差使復(fù)合腔體內(nèi)流體形成的自然對流進行了測試，首先考察了腔體內(nèi)流體的非穩(wěn)態(tài)流動過程，通過對不同時間節(jié)點測試得出的流場判斷流動的穩(wěn)定性，從而為實驗步驟提供理論依據(jù)，具有指導(dǎo)意義。隨后考察了不同多孔介質(zhì)厚度、位置和

4、不同瑞利數(shù)Rα下的腔體內(nèi)流體自然對流。通過拍攝照片的后處理計算得到固定時間內(nèi)的流場。實驗結(jié)果表明：腔體內(nèi)的流動隨瑞利數(shù)Rα的增大而增強，多孔介質(zhì)參數(shù)及多孔介質(zhì)不同的分布對腔體內(nèi)的流場有直接的影響。實驗得到的流場與數(shù)值模擬結(jié)果誤差較小。將實驗結(jié)果與相同工況的數(shù)值模擬對比，可以得到二者吻合較好，相對誤差較小，同時驗證了PIV技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合腔體流場的測量是比較精確的。
　　 對多孔介質(zhì)薄層復(fù)合腔體內(nèi)的自然對流影響因素較多，且規(guī)律較為復(fù)