等径颗粒圆柱填充床近壁区孔隙率分

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1、中国工程热物理学会2005年学术会议传热传质学编号：053194等径颗粒圆柱填充床近壁区孔隙率分布规律新探马斌雷树业王良璧兰州交通大学机电学院热能工程系730070联系电话：(0931)4938083Email：mab@mail_lzjtu．cn摘要颗粒填充床多孔介质孔隙分布的研究对多孔介质换热器、化学反应器等工业领域及多孔介质传热传质学科有现实而深远的意义。本文中，笔者以目前国际学术界比较流行的多孔介质重构为研究手段，利用人工智能技术结合随机投子方法重构生成数百个等径颗粒填充床样本，并利用Muller当年所采取的方法对这些数值样本进行“车

2、铣”、“称重”统计，结果表明z等径颗粒填充床孔隙率距壁面2～3个粒径处孔隙率就基本趋向定值(Muller模型预测为6～7个颗粒以外)。考虑到笔者所统计韵填充床样本均可结合Matlab软件进行三维图形输出。以辨其真实性和复验性，因此，本文结论等价对用x射线对数百个不同填充情况下等径颗粒填充床样本而行三维断面扫描所得的数字化填充床而行统计而得的结论。关键词多孔介质颗粒填充床孔隙率Muller颗粒填充床多孔介质广泛应用于孔介质换热器、化学反应器、化学催化器等领域，对于颗粒填充床传热传质研究的最终可以归结为对孔隙结构大小、分布的不均匀性和骨架与流体

3、之间的接触性质不确定性的研究。对无限大或者可近似视为无限大的填充床，从统计意义上作均匀处理，来预测其流动传热参数，这种精度在工程实践中已足够。但当征尺寸特征尺寸与填充粒径尺寸比值不大时，多孔介质孔隙分布不均匀性将对流动传热过程产生强烈影响，各流动参数将大大偏离在传统宏观体积平均下得出的预测值，这使得在体积平均意义下得出的传统流动传热方程不再适用，它是孔隙分布不均匀性和边壁影响的必然结果。“壁面效应”、“弥散效应”，“沟流效应”等产生于多孔介质传热传质中的特殊现象归根结底均为孔隙分布的不均匀性所致，园此，孔隙分布的研究无论对应用领域还是理论领

4、域都有着现实而深远的意义。对颗粒经很床孔隙分布的研究已经很多，从KJmura[“，的剖分法，Ridgway和Tarbuckl2]的旋转床层注水法，Stephensonp]等的光测法。到集往昔相关研究理论影大成的Mullerl41的石蜡定形车铣称重法，所类的结论都类似，其中Muller在1992年对等径颗粒填充床整理处一个孔隙率分布公式，目前学术界所广泛接受，并被认为是等径颗粒柱形填充床孔隙率最接近实际、归有效的模型，该公式如下：妒(z)=妒6+(1一伊6)Jo(以‘)e—F(1)其中，z*=z／dp。’d=7．45一茄，6=o．315_0z

5、．7／2d5，妒。乩365+丽0．220目前为止，绝大多数填充床内流动传热预测所选用均为上述公式。笔者在仔细研究了Muller等人使用的试验方法特点后，决定在计算机中重构随机颗粒填充床，并实现“车铣”、“称重”，统计过程。重构此文献床的算法见文献p1，544图1为用M蚰ab输出的其中一个八层的填充床样本的三维输出图，笔者统计采用的所有样本均可用这种方式输出。以判断其可靠性，只要颗粒分辨率足够高，它的统计结果从某种意义上来说比试验测量更可靠。容易判断，笔者此法重构生产的数字化颗粒填充床等价于对实际等径颗粒填充床进行三维X射线扫描重构后的结果，

6、因此，统计样本的可靠性勿庸置疑。图2为对两个不同填充床直径与粒径比样本进行高度(轴向)局部孔隙率统计后局部平均孔隙率分布的三维阵面剖面图，从图中容易看出，填充床实际局部孔隙率沿径向分布极不规则，如同山峦丘壑，时高时低，图1八层颗粒填充床样本但总体来说，同一个填充床样本靠近边壁处高丘较多但不规则，越靠近中间处丘壑趋于平缓(这和远离边壁时平均孔隙率趋同规律一致)；不同直径粒径比的样本大致规律相同。由此容易看出，如此复杂的局部孔隙率分布规律是Muller公式所远远不能描述的(Muller所描述的孔隙变化阵面为壁面处高、图2a孔隙率分布阵面剖面周D

7、／dp=141／11212．82图2b孔隙率分布阵面剖形图D／dp=14ill7=8：294越靠近轴心处越低的三维水波类似的阵面图)。图3为对五组(每组各50个数字化填充床样本，本文只提供两组图示)不同填充床直径与粒径比的填充床族按Muller方法“车铣”、“称重”、统计后的孔隙率沿径向分布规律与Muller公司预测值的比较图。由图易知，实际多样本统计出的结果和Muller公式所预测的仍然有一定差异，但基本规律类似，即近壁0．5磊、1．5磊处附件各有一个孔隙率局部极小值，而且随着离壁面距离增加孔隙率振荡趋于定值。所不同的是，对于大量同填充床

8、直径与粒径比的数字化填充床族的统计结果表明：实际上离壁面大约2～3个粒径时，局部孔隙率统计值趋于一致(Mdl日模型预测是6～7个粒径左右)。为何在上述两种情况下，Mueller模