多孔介质中非牛顿流体流动阻力与传热特性研究

摘要

多孔介质区域内流体的流通性研究是当前的热点领域。现在大多数的研究都是关于牛顿流体在多孔区域内的流动和传热问题，然而有很多流体的特性并不满足牛顿粘性定律，比如高分子溶液、悬浮液等，这些流体都属于非牛顿流体。研究非牛顿流体在多孔介质区域内的流动和传热特性对我们生活及生产水平的提高有一定的推动作用，并且在加强石油的采集、提高涂料在建筑中的利用率等方面都有很大的帮助。
　　本文主要对非牛顿幂律流体流经多孔介质时的流动阻力与传热问题进行了一系列的研究。运用理论探析、数值计算和实验探究相融合的方法，先对非牛顿流体和多孔介质进行简单介绍，定性的分析流体在多孔介质区域中的流动状态，以连续性方程、动量方程以及能量方程为切入点，并在理论分析的基础上结合实验数据对流体的流动问题进行了数值模拟，然后对非牛顿幂律流体在多孔介质区域内的流动状态和对流换热情况进行分析。最后将模拟所得的数据同实验进行比较，结合经典公式以验证模型的准确性。
　　本文主要使用了CFD软件对非牛顿幂律流体的流动问题进行了模拟，采用的是有限体积法。先利用结构化网格对所要模拟的区域进行网格划分，然后通过CFD前处理系统对多孔介质区域的边界条件进行设定，对模型进行简化，并与实验数据保持一致。
　　研究了幂律流体的流变参数对流动和传热特性的影响，探求不同聚合物浓度、不同幂律指数下流体的流变特性，分析绕流雷诺数、幂律指数n等对聚合物溶液速度场、压力场及温度场的影响，最终得到速度分布、压力分布和摩擦阻力系数的变化情况等；同时研究了多孔介质结构(如颗粒粒径、孔隙率等)对摩擦阻力系数的影响，通过引入Darcy流和Forchheimer流，分析其对流动和传热特性的影响。
　　模拟结果表明随着幂律指数的增加，摩擦阻力系数和压降随之减小。经分析发现，这一规律与幂律流体内部高分子网状结构有关，高浓度的流体有较强的假塑性，而假塑性越强的溶液对高分子结构的剪切破坏力越强。而对于孔隙度不同的多孔介质骨架，流体的摩擦阻力系数也各不相同，对于孔隙度较大的骨架，聚合物溶液通过的孔隙通道较大，因此压降较小。
　　最后将本文所得的模拟结果与实验值及理论值进行比对，论证了本文数值模型的准确性。对于假塑性较强的流体，本文的数值模拟结果与实验值之间出现一定偏差，但这种偏差基本还在允许的误差范围内。本文初步认为这种偏差是由于文献中的经验公式和本文的数值模拟没有考虑非牛顿流体的弹性问题所致。综上所述，本文的数值模拟结果还是能较好的反映出多孔介质区域内非牛顿幂律流体的流动和换热问题。

目录

第1章 绪 论

1.1 研究的背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的研究工作

第2章 非牛顿流体和多孔介质

2.1 非牛顿流体

2.2 多孔介质

2.3 多孔介质流动模型

2.4 本章小结

第3章 非牛顿幂律流体在多孔介质区域内的流动换热模型

3.1 研究的目的

3.2 数值模拟方法

3.3 非牛顿幂律流体在多孔介质区域内流动实验参数

3.4 数学模型连续性方程

3.5 物理模型及边界条件

3.6 网格划分及独立性验证

3.7 本章小结

第4章 非牛顿幂律流体在多孔介质区域内流动性研究

4.1 研究的目的和方法

4.2 摩擦系数和绕流雷诺数

4.3 幂律流体在多孔介质中流态分析

4.4 本章小结

第5章 非牛顿幂律流体在多孔介质区域内对流换热研究

5.1 幂律流体对流换热系数

5.2 多孔介质区域内幂律流体换热分析

5.3 本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况