多孔介質(zhì)T型管道混合區(qū)流動與傳熱機(jī)理和實驗研究.pdf

1、T型管道在諸如能源動力等許多關(guān)系國計民生的重要工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，T型管道管壁材料周期性熱應(yīng)力波動產(chǎn)生的主要原因是混合區(qū)中不同溫度流體湍流混合引起的溫度波動，而其造成的主要結(jié)果是管壁材料的熱疲勞。隨著管壁材料熱疲勞損傷的不斷加劇，最終導(dǎo)致T型管道壁面材料的熱疲勞破裂，危及管路系統(tǒng)安全和使用壽命，對安全生產(chǎn)影響重大。因此，研究T型管道混合區(qū)流體流動和傳熱的特性及機(jī)理，對混合區(qū)的速度波動和溫度波動進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測，尋求減小管壁材料的熱應(yīng)力波動

2、和控制管道結(jié)構(gòu)的熱疲勞破壞風(fēng)險的方法，對提高管路系統(tǒng)連續(xù)生產(chǎn)的安全性和使用壽命具有重要的科學(xué)價值和現(xiàn)實意義。近些年來，研究者們利用多孔介質(zhì)的湍動增強(qiáng)作用和強(qiáng)化傳熱特性，將多孔介質(zhì)添加到通道中，改變通道中的流場分布，以期達(dá)到強(qiáng)化傳熱效果，被證明是一種行之有效的方法。
　　 本文以球形顆粒正交排列的多孔介質(zhì)T型管道混合區(qū)為研究對象，采用實驗研究與數(shù)值模擬研究相結(jié)合的方法，考察了混合區(qū)中冷熱流體的湍流混合與傳熱問題。通過建立多孔介質(zhì)T

3、型管道混合區(qū)中湍流流動與傳熱理論研究的數(shù)學(xué)模型，運用大渦模擬數(shù)值方法對三維多孔介質(zhì)T型管道物理模型中，不可壓縮流體湍流混合過程進(jìn)行了預(yù)測，并使用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值求解。實驗以水為流動介質(zhì)，在設(shè)計開發(fā)的多孔介質(zhì)管道實驗臺上開展了57種實驗工況條件下的湍流混合實驗，用特制的多點熱電偶溫度傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量得到了混合區(qū)的瞬時溫度信息，對瞬時溫度進(jìn)行時均化和無量綱化處理得到了各個測點位置的無量綱時均溫度和無量綱均方根溫度，并以此對比

4、分析了不同主支管溫差（理查德森數(shù)）、流量比（動量比）、混合區(qū)雷諾數(shù)等因素對多孔介質(zhì)T型管道混合區(qū)的溫度分布和溫度波動的影響機(jī)理。通過數(shù)值計算結(jié)果和實驗測量結(jié)果的對比，驗證了大渦模擬數(shù)值方法的可行性和有效性，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開展了多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)效應(yīng)（顆粒直徑和孔隙率）以及骨架材料（導(dǎo)熱率）等不同條件下多孔介質(zhì)T型管道混合區(qū)流動與傳熱的數(shù)值模擬研究。主要工作及結(jié)論如下:
　　 (1)建立了多孔介質(zhì)T型管道混合區(qū)不可壓縮流體湍流流動與

5、傳熱理論研究的數(shù)學(xué)模型，通過與實驗數(shù)據(jù)對比證明了運用大渦模擬數(shù)值方法預(yù)測多孔介質(zhì)T型管道湍流混合過程的可行性和有效性。
　　 (2)在孔隙通道對流動的擾動和支管流體的沖擊兩者共同作用下，多孔介質(zhì)T型管道混合區(qū)中由主支管溫差引起的浮升力對流動的影響作用被削弱，而流體的慣性力對流動起支配作用。因此主支管溫差及浮升力的增大對混合區(qū)中流動的壓力損失、速度和速度波動以及溫度分布無明顯影響，混合區(qū)溫度波動有所增大，但并不顯著。
　　

6、 (3)主支管流量比和動量比的不同直接影響支管冷流體對主管熱流體的沖擊作用，使得多孔介質(zhì)T型管道混合區(qū)中冷熱流體的分布發(fā)生改變，導(dǎo)致混合區(qū)中的溫度分布和溫度波動隨之改變。主支管流量比增大時，冷流體的沖擊作用影響減小，混合區(qū)中流體溫度升高，溫度波動增大，發(fā)生較大溫度波動的區(qū)域減小且向支管入口處靠近。主支管流量比不變時，混合區(qū)的雷諾數(shù)隨著主支管流量同時增大而增大，但混合區(qū)冷熱流體的分布并未根本改變，因此溫度和溫度波動的增大并不顯著。

7、　　 (4)對于孔隙率相同的多孔介質(zhì)T型管道，隨著多孔介質(zhì)顆粒直徑和孔隙通道尺寸的減小，混合區(qū)中冷熱流體的湍流混合尺度隨之減小，導(dǎo)致混合區(qū)的速度及速度波動的幅值減小，速度波動的區(qū)域也減小，壓力損失增大;對流傳熱的作用對T型管道混合區(qū)的傳熱影響逐漸減弱，而熱傳導(dǎo)的作用增強(qiáng)，混合區(qū)中溫度分層現(xiàn)象明顯，溫度波動的幅度和發(fā)生波動的范圍也隨顆粒直徑的減小而減小。
　　 (5)對于相同排列方式的均勻多孔介質(zhì)，隨著孔隙率的減小，T型管道混合