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1、第30卷第3期航空计算技术2000年9月多孔介质有效导热系数的计算方法潘宏亮(西北工业大学航海工程学院,陕西西安710072)摘要:高孔隙率多孔介质如泡沫陶瓷在新型多孔介质燃烧粒床(PackedBeds)的传热特性的研究与理论模型器技术中应用日益广泛,其重要传热特性参数———有效导热为数不少,但对于高孔隙率的多孔介质的相应研究系数反映了两相流气、固相导热、对流和辐射的综合效应,对非常缺乏,尝试用低孔隙率颗粒床的有效导热系数其研究尚非常缺乏。本文基于实验测定的温度分布,给出多模型扩展到高孔隙率的多孔介质时,结果证明
2、方法孔介质有效导热系数的初始估值,用有限体积法求解二维控[3]不可取。制方程,采用二维寻优搜索的办法,确定使测定点上测量与计算温度均方根误差为最小的径向与轴向有效导热系数,是本文介绍一种基于温度分布测量基础上,综合一种逆计算方法。对球粒子颗粒床进行的有效性试验证明运用有限体积法和搜索寻优法确定多孔介质有效导了方法的可行性。热系数的逆计算方法。文中验证了方法的可行性。关键词:有限体积法;导热系数;多孔介质;逆法中图分类号:O242,O5511多孔介质中流动与传热控制方程文献标识码:A实验模拟的多孔介质工作状况为:竖
3、直管内充填有100mm长,68mm直径的多孔介质,由电热器前言加热的空气自下而上流过多孔介质。多孔介质中心多孔介质常分为颗粒堆积床、烧结材料、线绕有一根8mm水管作为换热器,冷却水由上而下流体、泡沫陶瓷和其纤维状结构。后两者因其孔隙率出。改变来流空气的温度和质量流率,即对应多孔高、耐温性好,在新型多孔介质燃烧器技术中应用[1]介质不同的温度和流速。对应一个固定工况,来流广泛。与传统燃烧技术不同的是,采用多孔介质的温度与质量流率保持不变。当管内温度分布达到后,燃烧在多孔介质的所有孔隙中进行。与自由火稳定后,开始测量
4、多孔介质内温度分布。轴向5个焰相比,单位体积的燃烧面积大大增加;且由于多孔截面布置K型温度热电偶,分别位于多孔介质的介质材料具有比气体大得多的比热与导热特性,因此多孔介质燃烧器具有结构体积小,功率调节比范上、下表面及内部各自相距25mm的三个轴向截面围大,NOx与CO排放物低的优点[1,2]。该洁净燃上。热电偶沿径向移动,可依次测定多孔介质自内烧的特点深得欧美国家的青睐。随着国际上对多孔壁面(冷却水管壁)至外壁面(紧邻隔热层)11个径介质燃烧技术应用开发的日趋热门,对多孔介质燃向位置处的温度,计55个测量点。显然
5、空气在多孔烧技术的基本过程如流动、传热、化学动力学及其相介质中的流动与传热以两相流为特征。常用的模型互作用的研究也日益被重视。多孔介质中的传热以简化处理是:不考虑固相多孔结构细节,采用体积两相流为特征,多种传热方式并存;高孔隙率的多孔平均法;在质量流率较低,孔直径及孔隙率不太大而介质,因其多孔结构的复杂性与随机性,确定其传热温度较高及固相传热特性较好的条件下,可将固相[2]与流体视为均一介质,连续介质条件和局部热平衡特性只能采用实验与数值计算相结合的办法。[4]纵观以往文献,虽然对于低孔隙率的多孔介质如颗假设有效
6、。因此控制方程为:收稿日期:2000-06-12作者简介:潘宏亮(1962-),女,副教授,中德联培博士,从事热动力推进系统传热与燃烧研究。第3期潘宏亮·多孔介质有效导热系数的计算方法139(ρνs,j)顶点的温度均方根误差之和为最小的矩形域进一步=0(1)9xj处理为下一步搜索的矩形域,等分搜索域,重新形成9Pμ=-νs,j(2)新的9对搜索点。依此缩小搜索范围,直到搜索域9xjKij的4对λeff,r和λeff,ax相差分别为1%和2%时,各自99T(ρνjcpT-λeff,j)=0(3)的平均值为待求的λe
7、ff,r和λeff,ax。在工作站上运行9xj9xj约一小时,获得计算结果。对应最优组合的λeff,r和及完全气体方程λeff,ax,通常温度均方根误差小于20K。P=ρRT(4)式中ρ,:流体密度;vs,j:基于空管截面积的空管速度;xj:坐标;P:压力;μ:动力粘度;Kij:渗透率;cP:3计算示例比热;T:温度;λeff,jλeff,r和λeff,ax:待定的有效导热用颗粒堆积床验证了方法的可行性。三氧化二系数,它总括了两相流气、固相导热、对流和辐射等铝球粒子直径为12.7mm,颗粒床孔隙率0.36,实验传
8、热效应。既与固相与流体的导热系数、热辐射特条件及对应计算结果列于下表:性有关,也取决于温度与速度等参数;多孔介质的结三氧化二铝球粒子计算示例表构、孔隙率及尺寸不同,有效导热系数也相应变化。有效导S模型本文计算与体积空管速度热系数温度予示值S模型予示平均(273.15K)(W/mK)均方根(W/mK)误差(%)2数值方法温度误差(m/s)(K)径向轴向(K)径向轴向径向轴向
