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[学位]

颗粒有序堆积床孔隙内的强制对流流动及传热特性研究

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Author:

步珊珊 (步珊珊.)

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学位论文库

Abstract:

颗粒堆积床内的流动传热是核能、化工及可再生能源等众多领域内的基本过程,研究和探索颗粒堆积床内的流动传热特性,不仅对构建颗粒堆积体系内能质传递与转化理论本身具有重要意义,而且对我国能源及化工行业实现高效安全生产及节能减排意义深远。本文基于孔隙尺度对颗粒有序堆积床的流动传热特性进行了研究。首先对颗粒有序堆积床内部流动转捩的判定进行了实验研究;其次数值研究了接触模式对颗粒有序堆积床内流动传热的影响;然后针对高温条件下颗粒有序堆积床内的局部流动传热特性开展了数值研究;最后分析讨论了颗粒有序堆积床低雷诺数下的流动不稳定性和对称性。主要研究工作如下:
(1) 搭建颗粒堆积床流动转捩电化学实验台,研究不同有序堆积结构(SC,BCC和FCC)内的流动转捩判定。在堆积通道壁面和堆积内部颗粒表面同时布置电极进行测量流动的转捩。同时,还研究了不同管径-粒径比N对有序堆积床流动转捩的影响。结果表明,对于SC结构,BCC结构和FCC结构这三种有序堆积形式,SC结构的流动转捩发生最迟,FCC结构的流动转捩发生最早。对于SC结构,当N=3时,层流向湍流过渡的范围为260<Re<430;当N≥4时,层流向湍流过渡的范围是170<Re<390。对于BCC堆积结构,层流结束的判定雷诺数为Re≈130,内部电极测得湍流开始的判定雷诺数为Re≈350,而壁面电极测得的湍流开始的判定雷诺数为Re≈580;对于FCC结构,层流向湍流过渡的范围为70<Re<250。
(2) 采用四种不同的接触模式,包括间隙模式,面接触模式,短圆柱连接以及切除球冠,对颗粒有序堆积床内的流动传热进行了数值计算,计算结果和实验结果相比,发现间隙模式和面接触模式,对孔隙率影响较大,因此对压降的影响较为显著。与实验结果相比,短圆柱连接能更好的预测堆积床的压降。接触模式对平均换热性能Nu数的影响并不明显。局部的流动传热性能对接触模式较为敏感。对于间隙模式和切除球冠这两种方式,人为引进了空隙,接触位置产生了高速的射流。对于短圆柱连接和面接触这两种接触模式,能得到与真实物理现象相吻合的局部速度和温度分布。对于短圆柱连接,其尺寸对流动传热也有较大的影响。综合来看,在颗粒堆积床的流动传热的数值计算中,推荐圆柱直径在16% dp和20% dp之间的的短圆柱连接模式。
(3) 针对高温颗粒有序堆积床局部流动传热特性,首先分析了高温换热的共性特征,然后分析了不同温差下高温堆积床的局部流场和温度场,同时分析了温差对局部压降和阻力系数以及局部换热系数和Nulocal数的影响规律,研究表明高温会导致密度降低,黏度增大,导热系数增大以及大温差会引起密度、黏度和导热系数等参数波动较大的特点。大温差下的高温堆积床,速度分布和压降分布不是周期性的;大温差下的温度分布近似满足周期性条件。相同流量下,随着流体进出口温差增大,沿程局部雷诺数减小;沿程压降和沿程换热系数增大,沿程阻力系数增大,而沿程局部Nulocal数减小;相对于局部传热特性,温差对局部流动特性的影响更为显著。随着局部雷诺数减小,局部压降和局部对流换热系数反而会增大,这与常物性工况下不同;局部阻力系数和局部Nulocal数随局部雷诺数的变化趋势与常物性工况下基本一致。
(4) 针对低雷诺数下有序堆积结构(SC)内的流动不稳定性,采用多周期性边界条件对SC有序堆积床内的流动进行数值研究。研究表明,流动充分发展后,当Re≤225时,流动是稳定流动,阻力系数和监测点速度会趋向于一个稳定值;当Re≥250时,流动是不稳定的,阻力系数和监测点速度随时间的变化而变化。流动充分发展后,当Re≤225时,速度分布和流线关于相应的坐标轴是对称的,而且没有流体从侧面流出;当Re≥250时,速度分布和流线是非对称的,径向流动导致了流动的非对称性。SC堆积结构中流动的不稳定和非对称性是同步的,从“稳定-对称”流动向“不稳定-非对称”流动的过渡区间为225<Re<250。

Keyword:

高温换热 接触模式 颗粒有序堆积 孔隙尺度 流动转捩

Author Community:

  • [ 1 ] 西安交通大学能源与动力工程学院

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Basic Info :

Degree: 工学博士

Mentor: 王秋旺

Year: 2015

Language: Chinese

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