1、沈阳化工大学本科毕业论文题目多孔介质内流动与传热特性的研究院系能源与动力工程学院专业能源与动力工程班级1003学生姓名指导教师论文提交日期2014年06月21日论文答辩日期2014年06月21日毕业设计（论文）任务书热能与动力工程专业1003班学生毕业设计（论文）题目多孔介质内流动与传热特性的研究毕业设计（论文）内容毕业论文设计说明书一份绘制不同参数的模型图文献及英文翻译毕业设计（论文）专题部分起止时间2014年03月2014年06月指导教师签字年月日教研室主任签字年月日院系负责人签字年月日毕业论文开题报告论文题目多孔介质内流动与传热特性的研究专业热能与动力工程1003学生姓名指导教师日期20
2、14年04月1选题的目的、意义研究多孔介质对流换热的目的是找出影响多孔介质对流传热的影响因素以便提高热量的利用率，减少热量在传递过程中的损失，让热量能够接近理想值100的服务于社会。研究多孔介质对流换热的意义在当今能源紧缺的社会，能有效的节能降耗、减少不必要的损失，降低企业成本，提高企业的经济效益和社会竞争力，让热量为工业发展作出更大贡献。2课题的基本内容通过查阅中外期刊文献，确立基本思路，用GAMBIT软件建立基本模型，然后导入FLUENT软件进行数据计算，导出出温度云图，湍动能图，速度矢量图，并得出相关数据，然后将数据在ORIGIN8中绘出线性图进行结论总结分析。根据分析结果完成毕业论文。
3、3完成期限和主要措施三月份查阅中外文期刊，深入了解多孔介质中对流换热的影响因素和在以后社会中的利用价值及背景意义。四月份和师哥学习GAMBIT、FLUENT、ORIGIN8软件，学习多孔介质中对流换热特性的理论知识，撰写中文文献，翻译外文文献，并在草纸上策划所需的建建立的模型和数据。五月份上旬运用GAMBIT软件进行数学建模之后导入FLUENT进行模拟计算、五月份下旬用ORIGIN8软件会出结果图，然后分析总结撰写多孔介质对流换的毕业论文。六月份完成论文细节工作排版，装订，准备毕业答辩。4预期达到的目标1通过此次多孔介质对流换热特性的研究培养自己独立思考、发现并解决问题的能力，深入了解了热能与
4、动力工程专业在生活中的重要作用。2通过了解中外文献在多孔介质对流换热领域的研究确立自己研究方向，学会使用GAMBIT、FLUENT、ORIGIN8实用软件完成课题的研究分析。3和师哥建立良好的学习合作关系，共同顺利完成大学生涯老师教给最后一个任务。5论文提纲一文献综述二论文专题1引言2建立数值模型3计算分析讨论4结论总结5参考文献6致谢三附录部分指导教师意见指导教师（亲笔签名）年月日毕业设计指导小组审查意见年月日沈阳化工大学学士学位论文摘要摘要随着世界格局整体进程的变化，经济成为各国发展首要的目标。能源是推动经济发展的动力，好比汽车的发动机人的心脏，它已经引起世界各国的重点关注。热能是当今世界
5、使用最为广泛的能源，它和我们的生活已经息息相关，如何提高热能的利用率也已经成为物理学家们最为关切的研究的问题。多孔介质换热能力的高效性已经呈现出良好的前景，本文将深入研究多孔介质对流换热高效性的影响因素，通过理论知识结合当今FLUENT建模软件建立贴切实际的模型进行模拟研究并分析寻找相关规律。本文将从如下个方面进行探索分析1建立多孔介质对流换热场的不同模型，采用控制变量法和集中参数法运用标准的K模型和流体流动与传热的基本控制方程对二维下的湍流换热模型进行数值模拟，采用控制局部容积的方法进行比较分析，局部容积选取的控制体又称REV，它能代表整个多孔介质的相关参数。2为能够精确地探究多孔介质的对流
6、换热影响因素，我们采用不同雷诺数去获得同一组模型与之的相关参数，并结合相关参数的云图、矢量图、线形图详细的总结分析此组模型影响参数的规律。分析总结，多孔介质因内部骨架的不同会对通过的湍流流体换热产生较大的影响，其中的相关参数无量纲湍动能、湍动能、对流换热系数、努塞尔数，阻力系数都会出现一定的规律。虽然和现实的流体换热可能存在误差，但这对我们今后在实际涉及流体高效换热方面还是有很重要的价值，它还是能够作为多孔介质湍流换热综合参数的评估。关键词多孔介质；湍流换热；无量纲湍动能；湍动能；对流换热系数沈阳化工大学学士学位论文ABSTRACTABSTRACTWITHTHECHANGESINTHEWORL
7、DSITUATIONASAWHOLEPROCESS,THEECONOMYHASBECOMETHEPREMIERNATIONALDEVELOPMENTGOALSENERGYISTHEDRIVINGFORCETOPROMOTEECONOMICDEVELOPMENT,THEHUMANHEARTISLIKEACARENGINE,ITHASATTRACTEDTHEFOCUSOFATTENTIONOFTHEWORLDHEATISTHEWORLDSMOSTWIDELYUSEDENERGY,WHICHISCLOSELYRELATEDTOOURLIFEHASBEEN,HOWTOIMPROVETHEUTILIZA
8、TIONOFENERGYRESEARCHHASBECOMEANISSUEOFCONCERNTOMOSTPHYSICISTSPOROUSMEDIUMHEATCAPACITYEFFICIENCYHASSHOWNGOODPROSPECTS,THISARTICLEWILLDELVEINTOTHEFACTORSAFFECTINGTHEEFFICIENCYOFCONVECTIVEHEATTRANSFERINPOROUSMEDIA,COMBINEDWITHTHEORETICALKNOWLEDGETHROUGHTHEESTABLISHMENTOFAPPROPRIATEMODELINGSOFTWARETODAY
9、FLUENTACTUALMODELANDANALYZESIMULATIONSTUDYTOFINDRELEVANTLAWSTHISPAPERWILLEXPLOREASPECTSAREANALYZEDASFOLLOWS1ESTABLISHDIFFERENTMODELSOFCONVECTIVEHEATTRANSFERINPOROUSMEDIAFIELD,USINGMETHODSANDCENTRALIZEDCONTROLVARIABLEPARAMETERMETHODUSINGSTANDARDKMODELANDTHEBASICEQUATIONSOFFLUIDFLOWANDHEATTRANSFERINTU
10、RBULENTTWODIMENSIONALHEATTRANSFERMODELWASSIMULATEDUNDER,USINGTHEMETHODOFCONTROLLINGTHEVOLUMEOFLOCALCOMPARATIVEANALYSISOFLOCALVOLUMECONTROLBODY,ALSOKNOWNASTHESELECTEDREV,CANREPRESENTTHEWHOLEPARAMETERSOFPOROUSMEDIA2TOBEABLETOACCURATELYEXPLORETHEFACTORSAFFECTINGHEATCONVECTIONINPOROUSMEDIA,WEUSEDIFFEREN
11、TREYNOLDSNUMBERSTOGETTHEMODELWITHTHESAMESETOFPARAMETERS,COMBINEDWITHCLOUDRELATEDPARAMETERS,VECTOR,LINECHARTSUMMARIZESTHEDETAILEDANALYSISOFTHISGROUPINFLUENCEOFTHEMODELPARAMETERSANALYSISCONCLUDEDTHATTHETURBULENTFLOWINPOROUSMEDIADUETODIFFERENTINTERNALSKELETONWOULDHAVEAGREATERHEATTRANSFERTHROUGHTHE沈阳化工大
12、学学士学位论文ABSTRACTINFLUENCEOFTHEDIMENSIONLESSPARAMETERSWHICHTURBULENTKINETICENERGY,TURBULENTKINETICENERGY,CONVECTIVEHEATTRANSFERCOEFFICIENT,NUSSELTNUMBER,THEDRAGCOEFFICIENTWILLAPPEARCERTAINRULESALTHOUGHHEATTRANSFERFLUIDANDREALISTICERRORSTHATMAYEXIST,BUTFOROURFUTUREINTERMSOFPRACTICALANDEFFICIENTHEATTRAN
13、SFERFLUIDINVOLVEDISSTILLAVERYIMPORTANTVALUE,ITISPOSSIBLETOASSESSTHEPOROUSMEDIUMASAHEATEXCHANGERINTEGRATEDPARAMETERSOFTURBULENCEKEYWORDSPOROUSMEDIA,TURBULENTHEATTRANSFER,DIMENSIONLESSTURBULENTKINETICENERGY,TURBULENTKINETICENERGY,CONVECTIVEHEATTRANSFERCOEFFICIENT沈阳化工大学学士学位论文目录目录第一章文献综述111引言112国内研究进展11
14、3国外研究进展214多孔介质对流换热的机理315对多孔介内流动与换热研究的展望（本文研究的内容）4第二章多孔介质内流动与传热FLUENT软件简介521引言522商务FLUENT软件简介8221基本物理名词定义8222湍流模型923控制方程式10231连续性方程式（质量守恒方程式）10232动量方程（NS方程）11233能量守恒方程1224数值的求解方法13241有限容积法1325初始条件和边界条13251三类边界条件13252边界面与外围流体及外围介质换热方式14沈阳化工大学学士学位论文目录253初始边界条件1426求解过程15第三章多孔介质内流动与传热模型的建立及研究1731建立多孔介质模型
15、17311使用GAMBIT建立模型17312建模各组参数17313建模控制方程1932建模结果图及分析20321RE相同、孔隙率相同、排布相同，形状不同20322孔隙率（）和颗粒大小不同、形状、雷诺数（RE）相同26323大孔隙率（E0475）与多孔骨架个数不同，密度、形状、雷诺数（RE）相同36324骨架大小、形状、密度、孔隙率都相同，骨架排布不同4133本章总结44第四章多孔介质内流动与传热研究的结论46参考文献47致谢49附录一50附录二55实习报告64沈阳化工大学学士学位论文第一章文献综述1第一章文献综述11引言多孔介质对流换热广泛存在人们的日常生活中和自然界中。例如土壤是地球上一切生
16、物生存的首要条件，同时是人类社会进步与发展的必要条件，从古自今，人类就关注土壤和水与植物长势的关系，用今天科学的方法分析研究土壤和土壤中的水分移动，那么土壤就成为了多孔介质，水就成为为了多孔介质内部的流体。日常生活中人们把废水排入江河湖海或地下，因地下水层存在温度梯度及地下的地理环境不同会引起地下水自然对流，从而使污染物源在地下水层中扩散开来，给人类的健康生活带来了不可估量的潜在的危害。深层地下的原油、水、燃气是大自然中一种多孔介质复杂的元素，尤其石油的开采热采油技术，让石油工程开采专业学科须对多孔介质的传热机理进行详细的分析与研究。由于地下储存有大量的热量，今天对地热的勘探与评估是以土壤作为
17、储存热能的介质类似石油勘探的技术去分析研究。在地质学中，涉及多孔介质对流换热的问题有很多，如两极冰山的融化与防治对策。以上这些说明，多孔介质热弥散的研究对地球资源的开发与环境保护非常重要，是一项拥有很好实用前景的战略性研究。在核电站的反应堆中，核燃料在多孔介质中反应，研究多孔介质对流换热可以提高热量利用率和控制核原料反应速度，有助于安全运行和增加燃料工作寿命。航天和节能技术中，热管已经广泛的被应用。热管原理是由许多毛细多孔材料制成的，对多孔介质对流换热的研究，对热管的技术发展和更新的利用势必起到重要作用1。综上所诉，多孔介质的传热和内部流动不仅在现实生活中广泛存在，而且多孔介质对流换热应是当今
18、高效节能社会学习传热学的一个重要领域，在热物理学中被世界传热学广泛的研究2，在冶金化工航天核技术，建筑等各个行业中都有着广泛应用。因此，多孔介质对流换热的研究有十分重要的意义。12国内研究进展沈阳化工大学学士学位论文第一章文献综述2近30年来，我国在冰冻地区修建的青藏铁路路基及高架桥桥墩的建造，石油的热开采技术，海洋的热量储存勘探技术，海底的可燃冰勘测技术，隧道海底通道和型菜窖的建设，及热管的研发与应用都涉及多孔介质对流换热的问题，尤其是太阳能强化传热已经引了我国热物理学届和国家的高度重视3。如我国著名物理学家姜培学，柴宁，李勐，孙锡九教授4在研究火箭发动机的冷却工程中采用多孔微小槽道中的局部
19、对流换热系数去研究多孔介质内部的对流换热过程。在2006年，在研究微细多孔介质对流换热时采用了局部体积平均法与集中参数法去解决问题5，实验结果验证了这两种方法的可行性。近日姜培学与胥蕊娜教授在多孔介质对流换热实验上又应用NU数建立了两个实验数据方程式6U（086493708）颗粒直径20040UMNU颗粒直径0475）与多孔骨架个数不同，密度、形状、雷诺数（RE）相同（1）圆形骨架建模参数见表7表7圆形建模参数RE孔径孔隙率无量纲湍动能湍动能对流换热系数1221604233250533010227204009256沈阳化工大学学士学位论文第三章多孔介质内流动与传热模型的建立及研究3724432
20、084670088067591064317366481270087120627227548123253834525067600857995760023179242986130900835053810393083662399655008027507741512035636652507630091284099000981362455269876006714752003223658833540060474619006293（2）圆形骨架温度云图见图315,316,317图315孔隙率为0533的温度云图沈阳化工大学学士学位论文第三章多孔介质内流动与传热模型的建立及研究3810001500200025
21、003000350040000050005500600065007000750080008500900095KRE250533250676250763图316孔隙率为0676的温度云图图317孔隙率为0763的温度云图由图315316317分析比较得出孔隙率越大的骨架温度场周围的温度越低，即孔隙率越大流体流过骨架周围时交换的热量越少。（3）圆形骨架线性图及结果分析见图318,319,320,321图319雷诺数和无量纲湍动能关系图319三组曲线都接近水平无量纲湍动能大小基本不变，表明我们的建模正确符合相关要求。沈阳化工大学学士学位论文第三章多孔介质内流动与传热模型的建立及研究391000150
22、02000250030003500400010152025303540455055HRE25053325067625076310001500200025003000350040002025303540455055606570NURE250533250676250763图320不同圆形骨架个数和阻力系数及换热系数的关系图320反映出相同雷诺数下（流体入口速度相同时）随着孔隙率的增加，流体的对流换热系数和阻力系数都成减小趋势。图321不同圆形骨架个数和努塞尔系数的关系图321反映出由骨架个数不同导致的孔隙率不同与努塞尔系数的关系为，随着孔隙率的增大，努赛尔系数越大。方形骨架建模参数（4）正方形骨架
23、模型参数见表8表8正方形骨架参数RE孔径孔隙率无量纲湍动能湍动能对流换热系数1000150020002500300035004000060065070075080085090095100105FRE053306760763沈阳化工大学学士学位论文第三章多孔介质内流动与传热模型的建立及研究40100015002000250030003500400068101214161820222426283032343638HRE2505332506762507631222300785250533006920856006193244460157100490227301729836669023560041012
24、48032373119058610925067600600403590016148234715547100588967110061233537741580056100488013229312138067625076300814633200087113247616579006075002718368997254900526864610052231（5）方形骨架线形图及结果分析见图320,321沈阳化工大学学士学位论文第三章多孔介质内流动与传热模型的建立及研究410500550600650700750805101520253035404550NUE251220252440253660图320方形骨
25、架孔隙率和对流换热系数图321方形骨架孔隙率和努塞尔数关系由图320321我们得出湍流流过方形骨架换热场的对流换热结论与湍流流过圆形骨架同类换热场的对流换热相关参数之间的关系完全相同。324骨架大小、形状、密度、孔隙率都相同，骨架排布不同（1）建模参数见表9表9建模参数RE孔径孔隙率排布无量纲湍动能对流换热系数努塞尔数122160423250533166长方形01022720425620123244320847008806759432339333664812710087120635484307512035643225053随机013280448292216沈阳化工大学学士学位论文第三章多孔介质
26、内流动与传热模型的建立及研究42240712753301134371648836993610691850119278106064631图322模型图（2）温度云图见图333,334图333骨架166长方形排布云图沈阳化工大学学士学位论文第三章多孔介质内流动与传热模型的建立及研究431000150020002500300035004000253035404550556065HRE16X6SUIJI1000150020002500300035004000010015020KRESUIJI16X6图334骨架随机分布温度云图由图333334温度云图我们可以看出流体流过规则排布骨架周围时的温度变化要比
27、流体流过随机排布骨架周围时的温度变化范围小且前者周围流体温度也要比后者低。（3）线性图及结果分析见图335,336,337图335无量纲湍动能关系图图335无量纲湍动能表明我们建立的模型符合设计要求。10001500200025003000350040000708091011121314FRE16X6SUIJI沈阳化工大学学士学位论文第三章多孔介质内流动与传热模型的建立及研究441000150020002500300035004000253035404550556065NURE16X6SUIJI图336骨架排布和阻力系数及对流换热系数间的关系图337骨架排布和努塞尔数的关系由图336337我们
28、能够得到多孔介质内部骨架随机排布时的对流换热系数和努塞尔数都要比多孔介质内部骨架规则排布时大；也就是说明本组模型的流体流过多孔介质内部骨架为随机排布时（布满全孔）的对流换热效果要比流体流过多孔介质内部骨架为规则排布时的效果好。33本章总结本章采用三种建模即多孔介质内部骨架形状为圆形、正方形、六边形三种，的二维模型进行模拟研究计算，采用标准的K模型控制方程和有限容积法求解法分别进行了四组多孔介质的宏观湍流流场的模拟。比较了圆形、正方形、六边形骨架的多孔介质的湍流换热效果，发现了圆形骨架结构多孔介质湍流换热综合参数都要比其它形状骨架的多孔介质湍流换热所得的参数好；对于孔隙率大小对换热效果的影响也是
29、成抛物线型的，其中有一个临界值向两边换热效果逐渐减小；骨架的阵列和随机分布也是存在对换热效果的影响的。本章得出如下结论1本文四组模型，均采用FLUENT软件数据处理和ORIGIN处理线性数据图，可十分准确的反应理想状态下多孔介质的湍流换热综合参数。2多孔介质的内部骨架为某一特定结构时，流体的雷诺数的增减对无量纲湍动能的大小基本没有影响。3多孔介质内部流体的流动与换热特性沈阳化工大学学士学位论文第三章多孔介质内流动与传热模型的建立及研究45（1）多孔介质内部骨架的形状不同时对换热效果影响十分明显，六边形骨架的流畅流体效果居中最大，圆形骨架结构的流畅流体效果最好，正方形骨架的流畅流体效果较差。（2
30、）多孔介质骨架颗粒尺寸不同时在一定范围内的换热场中其它参数都相同时只有孔隙率因骨架直径的大小不同时（临界参数），流场的流体换热效果是随着孔隙率的增大而增大，但超过范围的临界值时流场的流体换热效果也会随着孔隙率的增大而减小。（3）多孔介质骨架个数不同时由骨架个数不同导致的孔隙率不同和流场的流体换热效果关系为，随着孔隙率的增大，流场的流体换热效果越好。（4）多孔介质骨架排布不同时流体流过多孔介质内部骨架为随机排布时（布满全孔）的流体换热效果要比流体流过多孔介质内部骨架为规则排布时的流体换热效果好。沈阳化工大学学士学位论文第四章多孔介质内流动与传热研究的结论46第四章多孔介质内流动与传热研究的结论本
31、文此次是探索宏观情况下多孔介质湍流对流换热的主要影响因素。通过四个二维建模从四个不同方面进行多孔介质对流换热效果的研究，即多孔介质内部骨架形状的不同，分别为圆形、正方形、六边形；多孔介质内部骨架当量直径的不同；多孔介质内部骨架密度的不同；多孔介质内部骨架排布的不同。针对这四个主要特性参数方面我们得出以下结论1宏观湍流流体通过多孔介质时，在我们研究的孔隙率变化范围内，湍流流体和多孔介质骨架的换热能力会随孔隙率的变化有一个先增大再减小的趋势。这种换热能力的变化规律主要受两种因素影响，即多孔介质内湍流流体的绕流程度与流体在多孔介质内和固体骨架接触面积的大小。当因固体颗粒的直径增大而多孔介质的孔隙率减
32、小时，湍流流体和固体骨架的接触换热面积会随之增大，但流过大孔径骨架流体的绕流作用也会随之减小，这样会使换热能力减弱。总结发现，同类骨架材料孔隙率为0475左右时换热能力最强。2多孔介质骨架中孔径相同时，骨架的个数和孔隙率成正比，孔隙率的参数越大时，骨架的密度也就越大，孔隙率虽然是研究多孔介质对流换热的一个重要宏观参数，但具有相同孔隙率的同种骨架材料也会因其骨架的分布、形状在对流换热时产生很大的差异。综上所述，孔隙率不能唯一作为衡量多孔介质骨架结构特性的参数。综合换热特性参数评价评价多孔介质换热性能需要应用两个参数，即传热系数和努塞尔数。其中湍流换热的传热系数包括导热、对流和辐射换热系数，辐射换
33、热系数只有温度较高时才考虑它的影响，通常情况下将其忽略不计；努塞尔数是反映流体绕流程度大小的特性参数。本文研究多孔介质对流换热的传热系数和努塞尔数称为综合特性参数评价。沈阳化工大学学士学位论文参考文献47参考文献【1】王补宣多孔介质传热研究的意义与现状中国科学基金，1991（1）3234【2】温冶，王战胜，楼国锋，前沿领域综述多孔介质强制对流换热研究进展，2012中国物理学会（CHINESEPHYSICALSOCIETY）【3】刘培生，多孔材料引论，北京清华大学出版社，2006【4】JIANGPX,RENZP,ZHANGZC1999JPROPULTECHNOL201INCHINESE任泽霈，姜
34、培学，张左1999推进技术201【5】XURN,JIANGPX,GONGW2006JENGTHERMOPHYS27823INCHINESE胥蕊娜，姜培学2006工程热物理学报,27823【6】姜培学胥蕊那中国物理学报2008年ACTAPHYSSLNVOL61,NO12012014401【7】BXWANGANDWPYU,AMETHODFOREVALUATIONOFHEATANDMASSTRANSPORTPROPECTIESOFMOISTPOROUSMEDIA,INTJHEATMASSTRANSFER,3151000510009,1988【8】BXWANG，M，WCAI（蔡明伟）ANDY,L,WU
35、（吴郁龙），ATECHNIQUEFORUSINGLASERIRRADIATIONASHEATERFORHYPERTHERMIATOPRODUCEMAXIMUMSYNERGISTICEFFECTDURINGIPDT,INHEATTRASTERSEIENCEANDTECHNOLOGY1998，EDBYBXWANG,HEMISPHEREPUDCORP,NY1989,PP41724【9】SLATTERYJC1981MOMENNUM,ENERGY,ANDMASSTRANSFERINCONRINUA2NDEDFLORIDAKRIEGERPUBUSHINGCOINPANY【10】CABONELLRG,WHI
36、TAKERS1984HEATANDMASSTANSFERINPOROUSMEDIA,INFUNDAMENTALSOFTRANSPORTPHENOMENAINPOROUSMEDIAMASSACHUSETTSMARTINUSNIJHOFFPUBLISHERSP121【11】WHITAKERS1972AICHEJ18361【12】KUWAHARAF,SIROTAMS1999JAPANSOCMECHENG66665【13】PALLARESJ,GRAUFXS2005LARINAMJSOLIDSSTRUCT2291沈阳化工大学学士学位论文参考文献48【14】YIZ1999PHDDISSERIARIONWE
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39、谢她在整个毕业设计期间对我的支持和帮助，战老师她是美的耕耘者，似清晨的一缕阳光，似清晨的雨露，让作为学生的我们绿草如茵，繁花似锦。是您用生命的火炬培养了祖国一代代栋梁，照亮了我们前行的道路。在此，我衷心的祝福我的老师身体健康，工作顺利，桃李满天下并致以最崇高的敬意。相见情已深，未语可知心；有很多良友，胜于有很多财富。在此，我还要感谢与我一起学习奋斗过的大学同学，感谢你们在大学四年的学习中对我的帮助，关心和支持，也感谢你们在这四年的生活中给我带来了无限的快乐。在此，我真诚的祝福我的同学们前程似锦，快乐无限，和你们子在一起的幸福生活我会永远铭记在心。真心的感谢参与毕业设计评审和答辩的各位老师，感谢
40、你们对学生的关怀和照顾。最后，诚挚的感谢关过心我和爱护过我的每一位老师同学，祝你们开心快乐每一天，幸福生活到永远。沈阳化工大学学士学位论文附录一50附录一沈阳化工大学学士学位论文附录一51沈阳化工大学学士学位论文附录一52沈阳化工大学学士学位论文附录一53沈阳化工大学学士学位论文附录一54沈阳化工大学学士学位论文附录二55附录二多孔介质热弥散的数值效应研究在研究多孔介质对流换热的热弥散时，通常在二维多孔介质结构模型中进行数值研究。假设在一个无限大的空间中规则的放置一些平方杆，均匀的流体从表面流过，其温度梯度与流体速度方向垂直。由于结构是对称的，故可以研究一个结构单元，用一个单元的计算结果来分析
41、整个多孔介质结构。在孔隙结构中用连续性方程、NS方程、能量守恒方程，来描述宏观温度、速度场。因此，可以用所得到的数值结果来估算每一个单元由于弯曲度对热弥散和分子扩散所产生的影响。所得到的实验数据与高佩克莱特数范围相吻合。介绍多孔介质的复杂几何结构不允许我们研究每一个孔的详细的速度、温度。因此，一个常见的介绍方法是专注于平均体积的数量和整体质量方面，动量，能量守恒原理。因此，引入了一些启发式和半启发式模型来介绍描述通过一个孔介质的非达西流动和传热传质扩散。在这些模型中的模型常数通常是详尽确定的实验数据。在微观领域可以使用周期性结构来研究详细的流场和温度的结构（如晶格结构）而不是在现实中研究复杂的
42、多孔介质。EIDSATH等人通过对圆柱体进行二维数值模拟，而作者几乎研究了孔隙率从0到1的一个空间集合覆盖广泛的多孔介质。拉尔森和HIGDON（1989）通过斯托克斯流体经过三维的晶格球体的分析，作者（1995）通过完全椭圆流体通过立方晶体研究达西和多孔惯性对于宏观压力降的贡献。KOCH等人研究了多孔介质中的扩散。他们得到了关于扩散张量的封闭解的表达式。然而，在他们的分析中，非常稀的悬浮颗粒（即，高孔隙度）拥有相同的导热假设近似的用力点沿用近似的斯托克斯流。因此，没有受雷诺数和边界层的影响，横向扩散系数独立于沛克莱数数且小于流体的热扩散系数。EIDSATH等人和（1983）爱德华兹等人解答了N
43、S方程和能量方程。在他们的模型里，假定颗粒的热导率为零，这样液体和固体的能量方程没有耦合阶段存在。KUWAHARA1994等人提出了一个通过拟合的数值结果与相似性去确定横向弥散系数解决多孔介质线热源的强制对流的沈阳化工大学学士学位论文附录二56想法，并由空间晶体在一个大的计算领域进行了详尽的数值计算。ARQUIS等人扩展了数值模型研究轴向和横向扩散的动量耦合和传热系数。通过ARQUIS和他小组的工作在强加的一个正常的宏观温度梯度或一个平行宏观的均匀流，以确定在一个单元结构微观温度场是必要的，如同在速度场中，来定义相应的热弥散系数。然而，在这些数值的研究中，只计算有限数量的设置参数，如孔隙度，宏
44、观的流动方向，和PECLET数。由于这些函数的参数的研究来自一个很窄的孔隙度范围因此扩散系数没有通用的函数关系。在当今研究中，我们遵循ARQUIS等人的数值方法。去纯粹的从理论基础上确定横向扩散数。宏观均匀流量是假定在一个无限的空间晶体集合，在垂直于流动方向施加宏观线性温度梯度。宏观流动角是每变化5度去研究扩散系数的几何影响。目前的数值模型由空间晶体构成允许我们改变孔隙率从0到1，建立一个可能的相关对于弥散系数。在一个确切平均体积的能量方程形式中我们严格遵循相关的弥散数学定义，然后从曲折率贡献中分离它。（注意，ARQUIS等人没有对这些电导率明显的区分。）数值模型计算和边界条件宏观上在垂直于流
45、动方向施加线性温度梯度，我们应用在一个常规的方式去考虑一个宏观均匀流体与角度穿过无限方形棒的放置。如图1所示。因此，宏观的速度和温度范围如下FIG1NUMERICALMODELANDITSCOORDINATES|COSSIN1SINCOS2沈阳化工大学学士学位论文附录二57在周期结构中控制体积V远小于宏观特性长度H2。由于周期性模型，只要考虑虚线中的一个结构单元作为计算区域，整个区域的控制方程（即,流体和固体阶段）如下03P4TTFLUIDPHASE5T06其中下角标F和S分别表示流体体和固体相。边界条件和周期条件给出了在壁面上78A8B在周期性的边界条件9A9BH|COS10AH|SIN10
46、BTTT11ATTTCOS11B计算方法离散控制方程的积分在一个网格体积内。PATANKAR和SPALDING提出（1972）SIMPLE运算方法用于压力速度耦合，被用于修正的压力场和速度场。然后通过解决压力矫正方程修正估计的速度场从而重新描述连续性方程和动量方程，这样速度范围满足连续性原理。然后，能量守恒方程求得相应的温度场。这个迭代序列重复直到达到收敛。在一个迭代中收敛是来计算的每个变量的最大的变化。改变最大收敛检查设为105，变量是通过适当的参考标准。一个全隐式对流项方案采用混合差分。PATANKA（1980）和NAKAYAMA1995进一步细节计算了这个数值。所有HH单元结构使用454
47、5非均匀网格进行计算。也可以使用8080更细密的网格进行样品的计算，确保结果是独立网格系统。雷诺数的从102变化到103（假设一个典型范围H1MM1CM）从2到100；孔隙率从01到096，普朗特数设定为071。所有的计算都使用CONVEX220计算机系统进行计算。弯曲度和热弥散的体积平均能量方程和表达式沈阳化工大学学士学位论文附录二58如下面CHENG（1978）和NAKAYAMA（1995），我们结合微观能量方程，方程（5），通过一个基本的控制用于不可压缩流体，获得同样的，12固体微观能量方程，方13AINT是流体和固体接触的整个表面，而DA是从流体到固体的矢量方向。（T）和F（T）分别是
48、流体和固体内在平均的温度。EQ在连续性热通量的界面处实施（13）。我们应该假设在流体与固体之间存在热平衡，即，（T）（T）QUOT；（T）。对于当前稳定的周期性流动，热平衡条件被证明是存在的。增加EQS。1213。我们有14对于稳态流动，我们重写等式（14）为15然而16（17）（18）前两个条件（）右边方程（15）分子扩散，然而第三项是热弥散的贡献，式子（16）是导热率。通过一个典型的梯度扩散假说，KTOR和DIS分别是迂曲扩散和热弥散。在假设固体传导率和液体传导率相同的低沛克莱数流动（KOCH等人。（1989），迂曲度和扩散可能会下降，我们有（）（19）相比较下，在高沛克莱数流懂的情况下，
49、热弥散与分子扩散比占主导作（）（20）在高沛克莱数流动的情况下，在多孔介质中宏观传热不再受热导率影响。在这项研究，在方程中我们完全从迂曲度和热弥散系数理论基础上确定微观数值的结果。当一个沿着宏观流动方向的坐标设置好，弯曲度和弥散率张量的对角分量保持非零。由于宏观线性温度梯度加在Y轴，宏观的流动在X轴，KTO和K能很容易地确定YY轴分量定义21沈阳化工大学学士学位论文附录二59XSINCOS22结果与讨论微观的速度场和宏观的压力梯度。两个不同的速度矢量图0度和45度得三种不同的雷诺数，即，在图2的比较中，当雷诺数比较小时，比如RE10，两个速度0度和45度剖面抛物线分布显现在一个充分发展的通道流，粘性力对比惯性力在压力降中占主导地位。由于雷诺数的增加，当雷诺数增加，速度场在0和45的区别就出现了。在45发生流动分离，这时候惯性力对于压力降的贡献变的很明显，然而对于流动通道00流场的类型，这样的惯性力的作用可以忽略。因此我们期待在低雷诺数下，宏观流动方向固定的质量流量下的宏观压力降是不敏感的，当雷诺数高的时候就敏感多了。宏观压力梯度（即，内在平均压力梯度的测量沿宏观流动的方向）由方程式我们能很容易地估计出使用的微
