多孔介質(zhì)復(fù)合腔體內(nèi)自然對(duì)流及傳熱的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、自然界和實(shí)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(dòng)和傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象也是無(wú)處不在，例如，糧食干燥過(guò)程、建筑圍護(hù)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(wèn)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(dòng)和傳熱傳質(zhì)在自然界和工程實(shí)際中引起學(xué)者們的廣泛關(guān)注?？紤]到測(cè)試技術(shù)的局限性，研究者很少對(duì)復(fù)合腔體內(nèi)的自然對(duì)流和傳熱現(xiàn)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。然而隨著近年來(lái)測(cè)試的技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)該領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)研究成為可能，可

2、以真實(shí)準(zhǔn)確的描述自然對(duì)流及傳熱的過(guò)程，將為工程實(shí)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(jì)算和實(shí)驗(yàn)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(duì)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(duì)無(wú)量綱化的控制方程進(jìn)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(duì)腔體內(nèi)自然對(duì)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(duì)交界面處的速度和溫度有

3、影響，但對(duì)腔體內(nèi)整場(chǎng)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(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，隨后搭建了實(shí)驗(yàn)臺(tái)，采用二維粒子圖像測(cè)速PIV技術(shù)對(duì)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(duì)流進(jìn)行了測(cè)試，首先考察了腔體內(nèi)流體的非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過(guò)程，通過(guò)對(duì)不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)測(cè)試得出的流場(chǎng)判斷流動(dòng)的穩(wěn)定性，從而為實(shí)驗(yàn)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(duì)流。通過(guò)拍攝照片的后處理計(jì)算得到固定時(shí)間內(nèi)的流場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：腔體內(nèi)的流動(dòng)隨瑞利數(shù)Rα的增大而增強(qiáng)，多孔介質(zhì)參數(shù)及多孔介質(zhì)不同的分布對(duì)腔體內(nèi)的流場(chǎng)有直接的影響。實(shí)驗(yàn)得到的流場(chǎng)與數(shù)值模擬結(jié)果誤差較小。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與相同工況的數(shù)值模擬對(duì)比，可以得到二者吻合較好，相對(duì)誤差較小，同時(shí)驗(yàn)證了PIV技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合腔體流場(chǎng)的測(cè)量是比較精確的。
　　 對(duì)多孔介質(zhì)薄層復(fù)合腔體內(nèi)的自然對(duì)流影響因素較多，且規(guī)律較為復(fù)