（化工过程机械专业论文）填充有多孔介质的t型通道内冷热流体混合过程的数值模拟.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t k l 2 4 学科分类号 4 7 0 1 0 2 0 论文编号1 0 0 1 0 2 0 1 1 0 6 4 6密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 l o学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名成鹏飞学号 2 0 0 8 0 0 0 6 4 6 获学位专业名称化工过程机械获学位专业代码 0 8 0 7 0 6 国家自然科学基金资 课题来源研究方向流体流动与传热 助项目 论文题目填充有多孔介质的t 型通道内冷热流体混合过程的数值模拟 关键词多孔介质，t 型通道，混合过程，数值模拟 论文答辩日期 2 0 1l 0 5 2 l 木论文类型基础研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位 学科专长 指导教师卢涛副教授北京化工大学流体流动与传热 评阅人l王奎升教授北京化工大学化工机械 评阅人2马润梅讲师北京化工大学流体机械 评阅人3 评阅人4 评阅人5 答辩委员会主席 周俊波教授北京化工大学化工机械 答辩委员l陈香凯高工中石油长城公司化工机械 答辩委员2王奎升教授北京化工大学化工机械 答辩委员3颜延俊副教授北京化工大学流体机械 答辩委员4马润梅讲师北京化工大学流体机械 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码中 查询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 摘要 填充有多孔介质的t 型通道内 冷热流体混合过程的数值模拟 摘要 多孔介质是一类具有固体骨架的多相空间，随机分布或有序分布 的孔隙空间可以是互不连通的或相互连通的。随着科学技术的发展， 由于具有较大的比表面积等特殊物理属性，多孔介质已广泛运用于许 多科学和工程领域。多孔介质的研究已经渗透到工业、能源和环境等 方面，多孔介质传热传质学已成为国际上工程热物理等相关领域的前 沿学科之一。 在石油、化工、核电等管路系统中，主要起到连接管道和优化管 路作用的t 型通道应用广泛。当有温差的两股流体在t 型通道中混 合时，会发生以温度随机波动为特征的热波动现象。靠近壁面处的热 波动可能会导致管壁热疲劳形成疲劳裂纹，甚至使管道发生泄漏。因 此为了提高工业生产的安全性，降低t 型通道内流体的热波动显得尤 为重要，而为了达到这个目的在t 型通道中添加多孔介质是一个很值 得研究的方法。 本文运用大涡模拟的方法对冷热流体在填充有烧结铜球多孔介 质t 型通道内的混合过程进行了数值模拟，获得了通道内的瞬时温 度、瞬时速度、压强等信息。所得数据与空管模拟数据的对比结果表 明，多孔介质可以有效削弱t 型通道流体混合区域内的温度和速度波 北京化工大学硕上学位论文 动，但同时也会增加流体流动阻力提高压强损失。 本文还对多孔介质的不同填充方式进行了探讨研究，将周边中 心全填充多孔介质通道内的模拟数据进行对比，结果表明，周边和 中心填充的流体压强损失明显比全填充的要小，周边填充通道内流体 混合的综合效果最好。 关键词：多孔介质，t 型通道，混合过程，数值模拟 a b s t r a c t t h en u m e l u c a ls i m u l a t i o n so ft h e m i x i n go fh o ta n dc o l df l u i d sl nt h e t - j u n c t i o nw i t hp o r o u sm e d i u m a b s t r a c t p o r o u sm e d i u mi sak i i l do fm u l t i p h a s es p a c ew i t hs o l i d 舶m e w o r k s t h ep o r es p a c ew i m 砌d o mo ro r d e r e dd i s t r i b u t i o nc a nb ec o i u l e c t e do r n o tc o i l l l e c t e d w i mt l l ed e v e l 叩m e n to fs c i e n c ea i l dt e c l u l o l o g y ，p o r o u s m e d i u mh a sb e e nw i d e l yu s e di i lm a n ys c i e n t i f i ca i l de n g i i l e e r m gf i e l d s d u et oi t s s p e c i a lp h y s i c a lp r o p e r t i e ss u c ha sm eh i g hs u r f a c ea r e at o v o l u m er a t i o t h es t u d i e so fp o r o u sm e d i u mp l a yi m p o r t 砌r o l e si i lt t l e i i l d u s 咄e n e 觋e n v i r o i u i l e i l ta i l ds oo n ，a i l dt l l eh e a t 锄dm a s s 仃a i l s f e r i n p o r 0 1 l l s m e d i 眦 h a sb e c o m ea i la d v a l l c e ds u b j e c to fe 1 1 9 i n e e 血g t h e m o p h y s i c sa i l do 也e rr e l a t e d a r e a si 1 1 硫锄a t i o n a l i nm ep i p i n gs y s t e m so fp e 缸d l e u m ，c h e m i c a l ，n u c l e a ra i l do m e r p l 眦s ，t 1 1 et - j u n c t i o n sa r ew i d e l yu s e dt o c o i l l l e c tp i p e sa 1 1 do p t i m i z e p i p e l i n e s 珊l e n t 、on u i d sw i md i 虢r e n tt e m p e r a t u r em e e ti nt l l e t - j u n c t i o n ，t h em e 肌a ln u c t u a t i o nc h a r a c t e r i z e db y 啪d o mt e m p e r a t u r e n u c t u a t i o n sw i l lo c c u r t h et h e n i l a lf l u c t u a t i o n sn e a u rt h ew a l lm a yl e a dt o t l l e 衄a lf a t i g u ef a i l u r e sa i l dc r a c k so nw a l l ，2 u l de v e nt 1 1 ep i p e sl e a l 【 t h e r e f o r e ，i no r d e rt o 咖r o v et l l es a f i e 哆o fi i l d u s m a lp r o d u c t i o n ， r e d u c i i l g 也et l l e n t l a ln u c t u a t i o n so ft 1 1 ef l u i di nt - j u n c t i o n si sp a i t i c u l a u r l y i i n p o r t a n t f o rm i sa i m ， f i l l i i l gp o r o u sm e d i u mi nt - j u n c t i o ni sa w o r t l l w h i l em e t l l o dt or e s e a r c h i nm i sp a p e r ，n u m 耐c a ls i i i l u l a t i o no fm e m i x i l l gp r o c e s so f h o ta n d c o l df l u i d si nt 1 1 et - j u n c t i o nw i ls i i l t e r e dc o p p e rs p h e r e sp o r o u sm e d i u m w e r ca c c o m p l i s h e db yu s i n g l a 唱ee d d ys i n l u l a t i o n ( l e s ) ，a 1 1 dt l l e p r e s s u r e ，i i l s t 锄a j l e o u st e l l l p e r a t u r e sa n dv e l o c i t i e si i lc h a i l n e lw e r e o b t a i n e d 1 1 1 er e s u l to fc o i n p a r i s o nb e 栅e e nt h eo b t a i l l e dd a t aa n dc l e a n c h a i m e l sd a t as h o w st 1 1 a tt l l ep o r o u sm e d i u mc a nr e d u c et h et e m p e r a t u r e a n dv e l o c i t yf l u c t u a t i o n s e 丘i e c t i v e l y b u ti 1 1 c r e a s en o wr e s i s t a n c ea n d e n h a n c em ep r e s s u r ed r o ps i g n i f i c a n t l y d i a e r e n tp a c k e dt y p e so fp o r o u sm e d i u ma r ea l s od i s c u s s e di 1 1m i s 眦i c l e ，a n dt 1 1 es i i l l u l a n td a t ao ft - j u n c t i o nw i ma r o u n d c e n t e r 如u p o r o u sm e d i u ma r ec o n l p a r e d t 1 1 er e s u l ts h o w st l l a tt 1 1 ep r e s s u r ed r o pi n c h a l l n e l sw i 也种0 u n da i l dc e n t e rp o r o u sa r en m c hl e s st h a n 如up o r o u s m e d i 啪s ，a n dt l l eg e n e r a le 日e c to f1 f l u i d sm i ) 【i n gi nt j u n c t i o nw i t h a r o u n dp o r o u si st h eb e s ti nt l l e s et h r e e 帅e s k e y w o r d s ： 目录 目录 第一章绪论i 1 1 课题研究背景和意义l 1 2 研究进展3 1 3 本文主要研究内容7 第二章大涡模拟控制方程和模拟方案9 2 1 大涡模拟控制方程9 2 2 数值模拟方案l o 第三章多孔介质对t 型通道内冷热流体混合过程的影响1 3 3 1 填充有烧结铜球多孔介质的t 型通道模型1 3 3 2 有无多孔介质t 型通道内冷热流体混合过程的对比分析1 4 3 2 1 瞬时温度对比1 4 3 2 2 瞬时速度对比1 6 3 2 3 时均无量纲温度对比1 7 3 2 4 均方根无量纲温度对比1 8 3 2 5 温度波动对比和功率谱密度对比2 l 3 2 6 无量纲时均速度对比和无量纲均方根速度对比2 3 3 2 7 压强损失对比2 5 3 3 本章小结2 5 第四章不同的多孔介质填充类型对t 型通道内冷热流体混合过程的 影响2 7 4 1 多孔介质的部分填充模型- 2 7 4 2 部分全填充多孔介质t 型通道内冷热流体混合过程的对比分析2 8 4 2 1 瞬时温度对比2 8 4 2 2 瞬时速度对比3 0 v 北京化工大学硕士学位论文 4 2 3 时均无量纲温度对比3 0 4 2 4 均方根无量纲温度对比3 2 4 2 5 温度波动对比和功率谱密度对比3 4 4 2 6 无量纲时均速度对比和无量纲均方根速度对比3 6 4 2 7 压强损失对比3 8 4 3 周边填充无多孔介质t 型通道内冷热流体混合热波动的对比3 9 4 3 1 均方根无量纲温度对比3 9 4 3 2 温度波动对比和功率谱密度对比4 0 4 4 本章小结4 2 第五章结论与展望4 3 5 1 结论- 4 3 5 2 展望4 3 参考文献4 5 致 射4 9 研究成果及发表的学术论文5 l 作者及导师简介5 3 c 0 n t e n t s c h a p t e rli n t r o d u c t i o n l 1 1b a c k g r o u n da n ds i 鲥f i c a n c e l 1 2r e s e a r c hi i e v e l o p m e n t s 3 1 3c o n t e m 。7 c h a p t e r 2t h em a t h e m a t i c a lm o d e la n ds i m u l a t i o np m c e s s 9 2 1t h em a t l l e m a t i c a lm o d e lo f 地ee d d ys i m u l a t i o n 9 2 2t h e 删m e r i c a ls i m u l a t i o np r o c e s s 1 0 c h a p t e r3 t h ee f f e c to fp o r o u sm e d i u mo nm i x i n gi n1 - j u n c t i o n 1 3 3 1p h y s i c a lm o d e lo f i - j u n c t i o nw i t hs i n t e 川p o r o u sm e d i u m 1 3 3 2t h ec o n l p a r i s o no f m i x 咄i nt - j 眦c t i o nb e 坩e e nw i t h 柚d 、i 也0 u tp o r 0 i l s 1 4 3 2 1t h ec o m p a r i s o no f i n s 蜘e o u st a n p 咖e 1 4 3 2 2t h ec o m p a r i s o no f i n s t a 】a t 眦e 0 璐v e l o c i t ) ，1 6 3 2 3t h ec o m p 撕s o no f 缸e a v 锄g e dn 0 撇l 泣e dt 锄p 咖1 7 3 2 4 1 1 l ec o m p 撕s o no f m o tm e 趾s q u a r eo f n o m a b z e dt e i 印e r a 咖1 8 3 2 5t 1 1 cc o m p a r i s o 璐o f t e m p 牡u r ef l u c t 岫t i o n 锄dp o w 盱s p e c t r i l md e 璐i 哆2 l 3 2 6t 1 1 cc o m p a r i s o o fn o 加：l a l i z e dt i m e a v e r a g e dv e l o c i 哆a n dn o m l a l i z e dm o t m e a ns q 城鹏o f v e l o c i 妙。2 3 3 2 7t h e c o l p a r i s o no f p r e s 翻_ ed r o p 2 5 3 3s u m m a d r 2 5 c h a p t e r 4t h ee f f e c to fp a c k e d 白，p e so fp o r o u sm e d i u mo nm i x i n g 2 7 4 1p h y s i c a lm o d e lo f p a ns 劬| e r e dp o r o l l sm e d i 吼2 7 4 2t h cc o m p 撕s o no f m i 】【崦i nt - j 嗽t i o nb e t 、e 饥p a na n df h up o r o l i s 2 8 4 2 1t h ec o m p 撕s o no f i n s 衄n t m e o l l st e 】咀】? e r a t i l r c 2 8 4 2 2t h ec o m p 撕no f i 璐伽1 仞删v e k i 锣3 0 i 北京化工人学硕士学位论文 4 2 3t h ec o m p a r i s o no ft i i n e a v e m g e dn o m a l 娩e dt e m p e r a t u r e 。3 0 4 2 4t h ec o m p a r i s o no fr o o tm e a ns ( 1 u a r eo fn o m a l i z e dt e m p e r a t u r e 3 2 4 2 5t h ec o l p 耐s o n so ft e l n p e r a n 鹏n u c t 阻t i o na i l dp o w e rs p e c 仇吼d e n s 时3 4 4 2 6t h ec o l n p 撕s o 粥o fn o m a l i z e dt i m e a v e r a g e dv e l o c 时锄dn o m a l i z e dr o o t m e 粕s q u a r eo f v e l o c i t ) r 3 6 4 2 7t h ec o l n p 撕s o no f p r e ss u r e 出0 p 3 8 4 3t h ec o m p 撕s o no f 血e n m ln u c 舰t i o nb e 钾e w i 血a r o u n d 锄dw i t l l o u tp o r o u si n t _ j u n c t i o n 3 9 4 3 1t ：h cc o m p a r i s o no fr o o tm e 锄s q 啦啪o fn o 肋a l i z e dt e m p e r a t u r e 3 9 4 3 2t h ec o m p a r i s o 璐o ft e m p e r a 劬r ef l u c t u a t i o n 锄dp o w e rs p e c t m md e i l s i t ) ，4 0 4 4s m l l 】吡a r y 4 2 c h a p t e r5c o n c l u s i o n sa n dp r o s p e c t s 4 3 5 1c o n c l u s i o n s ：4 3 5 2p r o s p e c t s 4 3 r e f e r e n c e s 4 5 t h a n k s 4 9 r 电s e a r c hr e s u l t sa n dp u b i i s h e dp a p e r s 5 l i n t r o d u c t i o no fa u t h o ra n dt l l t o r 5 3 符号说明 英文字母： g d f g 七 工 厶 n p r e 吗 f r r “ y x ，y ，z 希腊字母： 鸬 l ， p 乃 下标说明： 6 ，” r l 譬 x ，y z 符号说明 s m a g o 血s k ) r 常数 边长 频率 重力 热传导系数 长度 亚格子尺度混合长度 采样次数 压力 雷诺数 亚格子雷诺应力 时间 温度 无量纲温度 脉动速度 i 方向的瞬时速度 f 方向的时均速度 体积 坐标 亚格子湍流粘度 运动粘度 密度 亚格子湍流应力 支管b r a n c h d u c t 主管m a i n d u c t 均方根值啪t m e 粗s q u a r e 坐标x ，y z 方向的分量 第一章绪论 第一章绪论弟一旱硒比 本章根据多孔介质的基本特性和t 型通道在实际工程中的应用叙述了本课 题的研究背景，综述了研究人员关于多孔介质和t 型通道的研究进展和成果，提 出了本文的主要研究内容和目的。 1 1 课题研究背景和意义 多孔介质是一类具有固体骨架，随机分布或有序分布着孔隙空间的固体物 质：相互连通或互不连通的孔隙空间中一般充满着种或多种流体，如水、空气 等。自然界中存在着各种各样的多孔介质，例如：砂子、土壤、岩石等；当然很 多人造材料也是多孔介质，例如薄纸、砖瓦、海绵等。图1 1 所示为一种人工烧 结铜颗粒多孔介质。 图l - l 烧结铜颗粒多孔介质u 1 f i g i u e1 1s i n l e r e dc o p p e rb c a d sp o m 吣m e d i u m 【1 】 在实际的工业生产中，流体的传输传送是在庞大的管路系统中进行的，而t 型通道在管路系统中应用广泛，其对于连接管道和优化管路有着非常重要的作 用。t 型通道最主要的功能就是把两股流体混合成为一股进行输送，而很多情况 下这两股流体是有温差的。当温度不同的两股流体相遇时，在相遇处就会有热波 动，而靠近壁面的热波动会引发管壁产生热应力进而导致管壁热疲劳，形成疲劳 裂纹，严重的情况下会引起管道泄漏等安全问题。所以准确预测热波动是管道系 统安全问题的关键所在，降低热波动的强度是提高管道安全性的有效途径。 北京化工大学硕士学位论文 图1 2t 型通道中冷热流体的混刽2 】 f i g u 1 2mm i x i n go f h o t 觚dc o l dn u i d si nat - j u n c t i o n 【2 】 如图1 2 所示，在t 型通道中，主管中的热流体与支管中的冷流体在主支管 连接区域相遇时，温度不同的两种流体发生混合，导致在此区域出现明显的热波 动。靠近壁面处的热波动会使管壁出现热疲劳，形成疲劳裂纹；由于两种流体温 差的不同和在通道内流动状态的不同，疲劳裂纹出现的位置也不同，有时在连接 处周围的主管壁或支管壁，有时在主支管连接的焊缝处。总之，在主支管的连接 处附近是温度波动最剧烈的区域，也是最容易产生疲劳裂纹的区域；因此，能够 准确预测此区域内的热波动，对于整个管路系统的安全有着至关重要的意义。 近几十年来，在实际的石油、化工、核电等工业生产中，管道泄漏以及管道 断裂的事故时有发生。所以，管路系统的安全性必须得到提高，而热应力比较大 的t 型通道的安全性显得尤为重要。为了降低t 型通道产生疲劳裂纹的可能性， 最根本的就是要寻求一种方法来降低管道内流体的热波动。 因为多孔介质的比表面积大，传热过程复杂，而且多孔介质中的层流向湍流 转捩的雷诺数r e 较空管中的雷诺数大为提前，因此多孔介质的存在势必会影响 到流体的流动与传热行为；所以很多研究人员在管道中添加多孔介质以研究多孔 介质对管道热波动的影响。当然，为了削弱t 型通道内流体的热波动，在其中填 充多孔介质是一个很值得尝试和探讨的方法，本课题即要研究此方法的效果。 在工业上，为了了解管路内流体的流动与传热状态，最精确的方法是通过传 感器直接对实际管道进行监测。而在大多数的管路系统中，受到管道的安全性和 结构完备性等严格要求的限制，不能完全由温度传感器和速度传感器等测量仪器 来完成监测任务，因此需要用其它的方法进行预测；现在比较常用的是实验测量 和数值模拟两种方法。实验测量方法得到的数据结果真实可靠，但它需要投入大 量的人力物力，在某些需要进行多次实验以达到数据采集要求的情况下，成本消 耗巨大。数值模拟方法消耗的成本则远远小于实验方法，而且数值模拟结果与实 验相比的误差并不大，所以数值模拟方法越来越多的被应用于生产实践中。近年 来在数值模拟中最常用到的软件是计算流体力学( c f d ) 软件f l u e n t 。 研究如何削弱有温差流体在t 型通道内混合的热波动，对于预防管壁出现热 疲劳裂纹、防止管道泄漏、提高工业生产的安全性具有重要意义。本课题研究分 2 第一章绪论 析两种温度不同流体在填充有多孔介质的t 型通道内的混合现象，探讨降低管道 内热波动强度的方法，具有重大的科学意义和实际意义。 1 2 研究进展 对多孔介质内流体流动和传热传质的研究是当前传热领域最为热门的研究 方向之一，至今发展形成了多孔介质的流体动力学和传热传质理论【3 】。国内外相 关研究人员用实验和数值模拟的方法对流体在多孔介质内流动与传热的研究取 得了很大的进展。 由于多孔介质结构的复杂性和随机性使其内的传热传质过程非常复杂，很多 研究人员通过实验手段对其进行研究分析。j i a i l g 掣4 1 实验研究了水和空气在烧 结多孔槽道中的对流传热，实验结果显示，烧结多孔槽道的对流换热能力比非烧 结多孔槽道的强很多；烧结多孔槽道中空气的局部对流换热系数要提高3 0 倍， 水的提高1 5 倍；空气的强化传热能力随着流速的增加有明显的增强；但是，颗 粒直径对对流传热的影响并不明显；烧结多孔介质的有效导热系数比非烧结的要 高很多。李慧燕等【5 】对多孔材料在低温下的传热特性进行了实验研究，发现多孔 材料使夹板表面低温维持时间明显增加，这是多孔材料蓄液能力和吸附效应联合 作的结果，这也说明多孔介质有很好的保温作用。胥蕊娜等【6 】实验研究了不同颗 粒直径的烧结微细多孔介质中空气的流动与传热，结果表明摩擦阻力系数的实验 结果与理论计算结果在颗粒直径较大时吻合良好，但二者的差异会随着颗粒直径 的减小而增大。胥蕊娜掣7 】还对空气和水流过烧结微细多孔介质内部受到的流动 阻力进行了实验研究，实验得到水的摩擦因子与经验公式符合良好；指出空气在 微细多孔介质中的流动需要考虑稀薄气体效应。 在数值模拟方面，研究人员大多用到的是以w 1 1 i t a l 【一8 】普及的体积平均法为 基础的多孔介质数学模型。d a r c y 、d a r c y - b r i i l | 【m a 和d a r c y - b r i n k m 锄f o r c h h e i m e r 模型经常被用于描述多孔介质内流体的动量守恒方程【3 1 。运用到的多孔介质内 的能量守恒方程一般有两种基本表达方式：局部热平衡模型【悼1 6 】和局部非热平衡 模型【1 7 - 2 l 】。局部热平衡模型假设多孔介质的固体相和流体相处于热平衡状态，应 用同一个能量守恒方程求解；局部非热平衡模型假设固体相和流体相的温度有差 异，而应用两个不同的能量守恒方程来分别求解两相。局部非热平衡模型还要求 解固体相和流体相之间的热传递，因此需要固流两相之间的界面传热系数这个附 加条件【1 7 2 2 1 ，而这很大程度上就限制了局部非热平衡模型的应用。 汪利先等【2 3 】运用体积平均法对管中心填充有两层多孔介质的管道进行了数 3 北京化工大学硕士学位论文 值模拟，填充多孔介质后管中心流体的温度更均匀、速度分布更平坦，壁面附近 流体的温度和速度梯度都增大，流体与壁面间的换热显著增强；多孔介质一定程 度上束缚了流体的流动。l u 等【2 4 】应用体积平均法对填充有多空介质t 型管道内 的热波动进行了大涡模拟( l e s ) ，模拟数据与空管数据的对比结果显示多孔介 质能明显削弱流体的热波动强度。 在体积平均多孔介质模型中，对能量方程的对流项和时间导数项进行了修 正；多孔介质上的流动阻力是采用经验公式定义的，本质上就是把一个代表动量 消耗的源项添加在动量方程中；多孔介质的固体骨架体积在实际物理模型中并没 有出现，整个多孔介质区域都是流动区域，在多孔介质内的速度矢量是连续的。 因此，体积平均模型并不能从本质上反映出多孔介质的物理结构对流体流动与传 热的影响。而相比于体积平均模型，流固耦合模型则能更加准确地模拟出多孔介 质内流体的流动传热状况以及流固两相之间的热传递。在流固耦合多孔介质模型 中，多孔介质的固体骨架是构建在物理模型中的；多孔介质的孔隙充满流体相， 固体骨架为固体相；流固两相通过两相之间的界面也就是固体骨架表面进行对流 传热。所以流固耦合法能够更准确地反映出流体温度速度的变化，以及固体的温 度变化情况。 k u w a j l a r a 等【2 5 】运用流固耦合模型对流体流经多孔介质进行了数值模拟，多 孔介质为规律排列的垂直长方体柱( 图l 一3 所示) ，数值结果表明在多孔介质中 湍流发生时的雷诺数较小，湍流强度一般很大，这显示多孔介质中流体的湍流特 性与空管有明显差异。 图l - 3 多孔介质内流体的流动瞵1 f i g l i r e l - 3 m n o w i n p o r 0 髑m e d i 吐【2 5 1 j i a i l g 和l u l 2 6 】应用流固耦合法对填充有多孔介质的槽道内水的流动与传热进 行了数值模拟研究，其中的多孔介质是由同样大小的青铜颗粒烧结而成，填充在 一个简单的长方体结构当中，颗粒与颗粒之间有很小的接触( 图l _ 4 所示) ；模 拟计算出的通道壁面上的局部传热系数随着质量流量的增大而增大，而沿轴向方 向有些微地减小；流固两相之间的对流传热系数随着质量流量的增大而增大，随 4 第一章绪论 着颗粒直径的增大而减小：模拟结果显示固体颗粒温度与流体的温度并不相同， 这说明了多孔介质的局部非热平衡。 t 脚e r 0 r 神 一渤趋 图l - 4 多孔介质内的传热【2 卅 f i g u r e1 - 41 n l eh t 仃黜衙i np o r o l l s 眦d i u m 【2 6 】 由以上研究成果可以看出前人们对于多孔介质的研究是相当重视的，同样 的，研究人员对于t 型通道的研究也从未间断过，因为t 型通道在实际工业中 应用非常广泛。前些年，欧盟甚至投资了一个国际项目叫做t 型管路系统的热疲 劳评估，来专门研究t 型管道【2 】。 近几十年，国内外技术人员做了大量的实验研究，对t 型通道内流体流动状 态、混合过程、热传递过程、管壁热疲劳等方面进行了深入的分析，用到的实验 装置多种多样，如以下三图所示。 图l - 5 主支管水平放置的t 型通道实验装型2 7 】 f i g 眦el - 5m 懿p e 血n e n 诅l sc t | u po f t - j u n c d o n 、7 i r i 也臌i na n db m ：hd u c t sb o mi n 岫 h o r i z o n t a lp l a n e 【2 7 1 5 黔 阳 付 撤 抛 抛 缓缀缀鎏，i瓣 北京化工大学硕士学位论文 图l _ 6 主管水平放置支管竖直放置的t 型通道实验装置【2 8 】 f i g u r e1 61 k 懿p 甜加协ls 印印o f l j 岫c t i o n 谢mm eh 0 血0 n 协l 珊鱼j nd l l c t 鼬dv e r t i c a lb r a n c h d u c t 【2 8 】 图1 - 7 主管竖直放置支管水平放置的t 型通道实验装置f 2 】 f i g u nl 71 k 懿p e m l 协ls e 呻o f t j 岫c 曲nw i 血t i 地v e r t i c a lm a i nd ta n dh o r i z o n t a lh 蛆c h 由c 尸 s e y e dm 0 h a 眦m dh o s s e i n i 等【2 9 】对上游有弯管的t 型管道内的湍动射流进行 了实验研究，根据实验结果把射流分为四种：壁面射流，再附壁射流，偏转射流， 碰撞射流；而偏转射流被认为是最佳工况，因为这种工况下壁面附近的温度波动 和速度波动最小。m a s a 舢d 1 ih 曲t a 掣3 0 】实验研究了空气在t 型管道内的湍流混 合过程，发现混合后两股流体的接触面有强烈的振荡，并在接触面上产生了很多 大大小小的旋涡，而正是接触面的振荡和这些旋涡促进了两股流体之间的热传 递。 王海军掣3 卜3 5 】对流体在三通管内的流动与传热做了大量的实验研究，结果表 明，射流与主流流速比越大，射流穿入主流的深度越大；在射流管与主管相交区 的温度波动幅度最为明显；横向射流流动形式非常复杂，在不同区域近壁面处的 温度随流速比的变化相差很大；分析了热套管对三通管传热的影响，发现相接区 域的传热系数有明显的变化，且入射流体侧面受到较大的影响；还分析了流速比 6 第一章绪论 对压水堆主系统中三通构件所受热冲击的影响。 n a o v af u l 【u s h i i n a 掣3 6 】对冷热流体在三通方管内的混合过程进行了实验和数 值模拟研究。在试验中运用热电偶和激光多普勒测速仪分别测量了管道中某些特 定位置的温度和速度变化情况，在数值模拟中采用直接数值模拟( d n s ) 方法， 指出流体不同的涡结构导致了管壁的温度波动。 在t 型通道内湍流混合过程的数值模拟方面，有很多研究人员采用七一、 r s m 等湍流模型f 3 7 3 8 1 ，但这些湍流模型是对n s 方程的时均化处理，并不能够 准确模拟混合过程的旋涡结构和温度速度波动。随着计算机技术的发展，研究人 员越来越多地采用非稳态的大涡模拟( l e s ) 模型，以得到更为精确详细的数值 模拟结果。 k u c z a j 等【3 9 1 对t 型三通内的湍流混合做了模拟研究，显示大涡模拟能够很 好的捕获混合过程中流体的波动。s h o nk u h n 等【删数值模拟了t 型三通管内的 热传递，结果显示大涡模拟对于预测湍流混合的热波动有很好的适用性，且管壁 厚度可以降低管壁径向的温度波动。j e o n gml e e 等【4 l 】运用大涡模拟分析了t 型 三通中热波动导致的热疲劳，模拟结果和实验数据吻合很好，分析得到管道的疲 劳失效主要是由两方面原因引起的，即冷热流体之间的温差和混合区域增高的对 流换热系数。j 删j u 掣4 2 1 分析了t 型通道大涡模拟中壁面函数的适用性，模拟 结果与实验结果符合很好，指出壁面函数应该谨慎使用，特别是在核工程中。 h u 和k 铊i m i 【4 3 】运用大涡模拟研究了t 型结构中的热波动，对模拟得到的平均温 度和均方根温度进行了无量纲化处理，并与实验所得数据相比较，两者有很好的 吻合。由前人的研究结果可见，大涡模拟模型可以详细地对t 型三通管内流体混 合过程进行模拟，且与实验结果误差不大，这显示了它良好的准确性，我们可以 在数值模拟中放心的对其进行使用。 综上所述，多孔介质有增强换热、保温、降低湍流发生雷诺数等特点，流固 耦合法能更加准确的描述多孔介质内的流动与换热，而大涡模拟有很好的可靠 性，因此，我们可以运用流固耦合法对填充有多孔介质t 型通道内的流体混合进 行大涡模拟，进而研究多孔介质对管道的影响。 1 3 本文主要研究内容 本文拟运用计算流体力学( c f d ) 软件f l u e l l t ，运用多孔介质的流固耦合 法，采用大涡模拟( l e s ) 湍流模型，对冷热流体在填充有烧结铜球多孔介质t 型通道中的混合现象进行数值模拟，分析多孔介质对流体的传热、流动、热波动、 7 北京化工大学硕士学位论文 速度波动等方面的影响，主要从以下几个方面进行研究分析工作： ( 1 ) 对有温差流体在填充有烧结多孔介质的t 型通道内的混合进行大涡模 拟，获得瞬时温度和瞬时速度等信息； ( 2 ) 将己获得的模拟数据与空管数据进行对比，研究多孔介质对流体流动 与传热的影响，分析多孔介质对温度波动和速度波动的削弱效果； ( 3 ) 对部分填充烧结多孔介质的t 型通道进行大涡模拟，得到温度速度等 相关信息； ( 4 ) 将部分填充烧结多孔介质通道的模拟数据与全填充的进行对比，研究 多孔介质的不同填充类型对流体流动与传热的影响。 8 第二章大涡模拟控制方程和模拟方案 第二章大涡模拟控制方程和模拟方案 2 1 大涡模拟控制方程 湍流是由许多尺度不同的旋涡组成的，大涡模拟把旋涡分为两部分，即大尺 度的和小尺度的。大涡模拟中，瞬时运动的大尺度涡和小尺度涡是通过滤波函数 划分的，湍流扩散、质量、热量和能量的交换以及雷诺应力的产生是通过n s 方程直接求解大尺度涡来模拟的，耗散脉动对各变量的影响是通过亚格子尺度模 型建立与大尺度涡之间的关系来模拟的。 大涡模拟中任意一个瞬时的流动变量甜( 五，) 的大尺度量可表示为： “( x ，) = ig ( 1 x x i 咖( x ，f ) d y ( 2 - 1 ) 其中权函数g d x x 1 ) 即称为滤波函数。瞬时量与大尺度量之差： -i 一 蕾，= “一甜( 2 2 ) 称为“的亚格子分量，反映了小尺度运动对甜的贡献。 大涡模拟最常用的滤波函数为d e a r d o r f r 的b o x 滤波函数： 硎- i ) = 书，：纛 上式中，五为任意网格点坐标，她为第f 方向的网格尺度。大尺度量甜实际上就 是在以x 为中心的长方体单元( b o x ) 的体积平均值。 将滤波方程代入到n s 方程得： 挚+ 三面：一! 呈+ y 旦+ ( 2 _ 4 ) 百+ 瓦撕蜥一万亩w 瓦瓦+ 苟屹刮 其中： 勺= 一吩+ 专岛( 2 - 5 ) 毛= “t “j + 珥“+ 以“j ( 2 6 ) 和岛分别为亚格子湍流应力和亚格子雷诺应力，它们通过应用“假定产生项 等于耗散项”的亚格子涡粘性模型进行模拟，此模型中亚格子湍流应力正比于大 尺度分量的应变率： 勺= - 2 以岛+ 专岛( 2 7 ) 鸬和岛分别为亚格子湍流粘度和应变率张量，岛定义为： 9 32 堕2 鱼2 薯 毛 一 一 薯 五 北京化工火学硕上学位论文 指+ 针协8 ， 本文采用s m a g o 血s k y l i l l y 亚格子模型，它是由