多孔介质T型管道混合区流动与传热机理和实验研究

【摘要】T型管道在诸如能源动力等许多关系国计民生的重要工业生产中广泛应用,T型管道管壁材料周期性热应力波动产生的主要原因是混合区中不同温度流体湍流混合引起的温度波动,而其造成的主要结果是管壁材料的热疲劳。随着管壁材料热疲劳损伤的不断加剧,最终导致T型管道壁面材料的热疲劳破裂,危及管路系统安全和使用寿命,对安全生产影响重大。因此,研究T型管道混合区流体流动和传热的特性及机理,对混合区的速度波动和温度波动进行准确的预测,寻求减小管壁材料的热应力波动和控制管道结构的热疲劳破坏风险的方法,对提高管路系统连续生产的安全性和使用寿命具有重要的科学价值和现实意义。近些年来,研究者们利用多孔介质的湍动增强作用和强化传热特性,将多孔介质添加到通道中,改变通道中的流场分布,以期达到强化传热效果,被证明是一种行之有效的方法。本文以球形颗粒正交排列的多孔介质T型管道混合区为研究对象,采用实验研究与数值模拟研究相结合的方法,考察了混合区中冷热流体的湍流混合与传热问题。通过建立多孔介质T型管道混合区中湍流流动与传热理论研究的数学模型,运用大涡模拟数值方法对三维多孔介质T型管道物理模型中,不可压缩流体湍流混合过程进行了预测,并使用FLUENT软件进行数值求解。实验以水为流动介质,在设计开发的多孔介质管道实验台上开展了57种实验工况条件下的湍流混合实验,用特制的多点热电偶温度传感器和数据采集系统测量得到了混合区的瞬时温度信息,对瞬时温度进行时均化和无量纲化处理得到了各个测点位置的无量纲时均温度和无量纲均方根温度,并以此对比分析了不同主支管温差(理查德森数)、流量比(动量比)、混合区雷诺数等因素对多孔介质T型管道混合区的温度分布和温度波动的影响机理。通过数值计算结果和实验测量结果的对比,验证了大涡模拟数值方法的可行性和有效性,并在此基础上进一步开展了多孔介质结构效应(颗粒直径和孔隙率)以及骨架材料(导热率)等不同条件下多孔介质T型管道混合区流动与传热的数值模拟研究。主要工作及结论如下：(1)建立了多孔介质T型管道混合区不可压缩流体湍流流动与传热理论研究的数学模型,通过与实验数据对比证明了运用大涡模拟数值方法预测多孔介质T型管道湍流混合过程的可行性和有效性。(2)在孔隙通道对流动的扰动和支管流体的冲击两者共同作用下,多孔介质T型管道混合区中由主支管温差引起的浮升力对流动的影响作用被削弱,而流体的惯性力对流动起支配作用。因此主支管温差及浮升力的增大对混合区中流动的压力损失、速度和速度波动以及温度分布无明显影响,混合区温度波动有所增大,但并不显著。(3)主支管流量比和动量比的不同直接影响支管冷流体对主管热流体的冲击作用,使得多孔介质T型管道混合区中冷热流体的分布发生改变,导致混合区中的温度分布和温度波动随之改变。主支管流量比增大时,冷流体的冲击作用影响减小,混合区中流体温度升高,温度波动增大,发生较大温度波动的区域减小且向支管入口处靠近。主支管流量比不变时,混合区的雷诺数随着主支管流量同时增大而增大,但混合区冷热流体的分布并未根本改变,因此温度和温度波动的增大并不显著。(4)对于孔隙率相同的多孔介质T型管道,随着多孔介质颗粒直径和孔隙通道尺寸的减小,混合区中冷热流体的湍流混合尺度随之减小,导致混合区的速度及速度波动的幅值减小,速度波动的区域也减小,压力损失增大；对流传热的作用对T型管道混合区的传热影响逐渐减弱,而热传导的作用增强,混合区中温度分层现象明显,温度波动的幅度和发生波动的范围也随颗粒直径的减小而减小。(5)对于相同排列方式的均匀多孔介质,随着孔隙率的减小,T型管道混合区中流体速度和速度波动减小,压力损失急剧增大；多孔介质的有效导热系数增大,固体骨架和流体之间的热传导作用增强,加速了混合区中不同温度流体的混合,温度波动也随之减小。(6)骨架材料导热率大的多孔介质的有效导热系数大,固体骨架与流体之间的热量传导较强,混合区中的流体温度较高,管道中上部的温度波动也较大。骨架材料及其导热性能对T型管道混合区中的压力损失、速度及速度波动无明显影响。
【作者】王永伟；
【导师】王奎升；卢涛；
【作者基本信息】北京化工大学，化工过程机械，2012，博士
【关键词】多孔介质；T型管道；混合区；流动传热；结构效应；骨架材料；

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