第5章 高da数下多孔介质的传热与流动过程

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1、多孔介质传热传质理论刘伟能源与动力工程学院热科学与工程实验室9/6/20211主要内容第1章绪论第2章多孔介质传热与流动的理论分析第3章土壤内的热质传输过程第4章有植物土壤内的传热传质分析第5章封闭多孔空腔及CPL系统传热传质分析第6章建筑物节能中的多孔介质流动与传热第7章多孔介质传热的实验研究9/6/20212第5章高Da数下多孔介质的传热与流动过程矩形封闭腔内非饱和多孔介质的热质传输特性研究竖直封闭圆环内非饱和多孔介质热质传输特性研究倾斜矩形腔内非饱和多孔介质热质传输特性研究多孔介质中的场协同分析

2、9/6/202135.1概述以非饱和多孔介质的流动和传热理论建立了矩形封闭腔体内的二维传热传质数理模型，并对R113的蒸发相变进行了数值模拟。根据计算结果着重讨论了流体瑞利数Ra，介质达西数Da，腔体冷热端温差△T以及形状比A的变化对其传热传质特性的影响，得出一些有用的可指导工程实践的结论。9/6/20214在日常生活中，多孔介质自然对流有着许多的应用。选取了两种具有代表性的封闭多孔材料：竖直多孔圆环和倾斜矩形多孔腔中自然对流现象进行研究。9/6/202155.2矩形封闭腔内非饱和多孔介质的传热传质含

3、湿多孔材料处于封闭围护结构体系中的热湿传递及相变过程的理论研究，对建筑材料相变蓄能技术及相变工质的恰当选择，具有重要的指导意义。一般而言，工质在具有温度梯度的封闭腔内是以液态和汽态的形式同时存在的；当封闭腔一侧受环境加热或冷却时，在一定条件下内部的液体、蒸汽及残留气体会发生运动，并发生蒸发与冷凝相变。选用不同的相变工质，控制一定的工作温度（压力），使在封闭腔的相应部位产生蒸发吸热或冷凝放热，就可实现相变制冷或制热的目的，同时兼有相变蓄能的功能。基于这一目的，本章模拟低温工质R113在矩形封闭腔内的传热

4、传质迁移过程。9/6/202165.2.1物理模型及数学描述矩形空腔的四壁不可渗漏，上下壁面绝热。空腔中填充型砂，相变工质为R113（沸点温度47.8℃）。假设初始温度均为T0。腔底成为湿饱和的液层；液层上方为干饱和的蒸汽与残留不凝结性气体的混合物。左壁面温度突升至T1，并维持不变，腔内将形成一个稳定的自然对流，并伴随工质的蒸发与冷凝传热。9/6/202175.2.1.1控制微分方程(1)连续性方程不凝结性气体：蒸汽：液体：（5-1）（5-2）（5-3）9/6/202185.2.1.1控制微分方程(2

5、)运动方程气相：液相：（5-4）（5-5）9/6/202195.2.1.1控制微分方程(3)汽扩散方程本模型认为蒸汽随空气一起运动的同时，由于温度梯度和湿分的变化会引起蒸汽相对于空气的扩散，所以蒸汽运动的速度应为二者的迭加值，其中蒸汽扩散速度为（5-6）9/6/2021105.2.1.1控制微分方程(4)能量方程封闭腔中能量的平衡应同时考虑工质的流动传热和相变换热。假设整个腔体中始终处于局部热力学平衡态，即始终有Ts=Tl=Tg，则能量平衡的数学表达式为:（5-7）9/6/2021115.2.1.1控

6、制微分方程（1）孔隙内蒸汽分压达到蒸汽的饱和压力，即认为蒸汽在各处均处于饱和状态；（2）混合气体由不凝性气体和蒸汽组成，可按照理想气体处理；（3）填料表面只覆盖一薄的凝结液体膜，其运动满足Darcy定律，且对气体的流动特性不产生影响[3]，因此我们可不考虑液相和气相的相对运动。(5)模型简化假设9/6/202112引入如下无量纲量9/6/2021135.2.1.1控制微分方程(6)无量纲方程组9/6/2021145.2.1.1控制微分方程(7)传热传质边界条件与初始条件上下壁面绝热且不可渗透，即：Y=

7、0及Y=A处：左右壁面为恒壁温边界：初始条件：9/6/2021155.2.2计算结果及分析为研究封闭腔内多孔介质中含湿非饱和的自然对流行为，我们模拟了各种不同控制参数Ra、Da、ΔT和A下温度场、流函数场、蒸发量场等场量及换热系数的分布，下面就各种因素对腔内流动与传热情况的影响分别进行讨论。9/6/2021165.2.2.1非饱和流动特性分析图2(a)—(e)分别给出了当Da=10-4，A=5，T0=290K，ΔT=30℃时空腔内温度场、流函数场及内部蒸发量场随Ra*=ΛRa变化的场图。(a)ΛRa=

8、104，Da=10-49/6/202117(b)ΛRa=105，Da=10-49/6/202118(c)ΛRa=106，Da=10-49/6/202119(d)ΛRa=107，Da=10-49/6/202120(e)ΛRa=108，Da=10-49/6/2021215.2.2.2传热特性分析不同ΛRa下Da对空腔平均Nuh数的影响不同Da数下ΛRa对空腔平均Nuh数的影响无量纲传热系数Nuh9/6/202122Da数对空腔传热系数的影响9/6/20212