幂律流体在多孔介质中的流动和传热规律研究

论文摘要

引入研究多孔介质流体流动和传热的体积平均方法和体积平均原理,获得了幂律流体的体积平均连续性方程和体积平均运动方程;分析了体积平均运动方程中的单位体积阻力,采用Darcy阻力经验公式,考虑Forchheimer惯性阻力和Brinkman边界层粘性阻力,得到了幂律流体在多孔介质内流动的Brinkman-Forchheimer广义Darcy定律。提出了幂律流体在有界多孔介质内的结构流概念,并通过边界层动量积分计算证实了流核的存在,获得了流核流速和流核半径的计算结果;分析了Darcy数、惯性参数、孔隙度和幂律指数对速度剖面和阻力因子的影响程度,详细阐述了假塑性流体与膨胀性流体在多孔介质内流动的特点和区别。对幂律流体在充满多孔介质两维平板中充分发展非达西强化换热进行了理论分析,应用积分法对闭合边界层的温度分布和充分发展的Nusselt数进行了求解,结果表明多孔介质中幂律流体强化换热的重要特征,为更复杂数值解的计算提供方便。研究获得的幂律流体在多孔介质中的流动和换热特性,为油气开采、地下水资源开发等领域提供理论指导。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究目的及意义
• 1.2 多孔介质流体流动的研究现状及进展
• 1.3 多孔介质传热传质的研究现状及进展
• 1.4 本文的主要研究工作
• 第二章 多孔介质及其渗流特性
• 2.1 多孔介质的基本性质及结构参数
• 2.1.1 孔隙度
• 2.1.2 渗透率
• 2.1.3 比表面积
• 2.1.4 孔隙介质的迂曲度
• 2.1.5 孔隙介质的非均质性和各向异性
• 2.2 多孔介质中的毛细特性
• 2.2.1 界面吸附现象
• 2.2.2 润湿现象和毛管力
• 2.3 Darcy定律及其修正公式
• 2.3.1 Forchheimer方程
• 2.3.2 Brinkman方程
• 2.3.3 Brinkman-Forchheimer广义Darcy定律
• 2.4 小结
• 第三章 非均匀多孔介质中幂律流体流动的基本方程
• 3.1 非牛顿流体流动的基本方程
• 3.1.1 连续性方程
• 3.1.2 运动方程
• 3.2 非均匀多孔介质中流体流动的体积平均方法
• 3.2.1 流动参数的局部体积平均
• 3.2.2 体积平均原理
• 3.3 非牛顿流体在多孔介质中流动的控制方程
• 3.3.1 体积平均连续性方程
• 3.3.2 幂律流体体积平均运动方程
• 3.4 幂律流体Brinkman-Forchheimer广义Darcy定律
• 3.5 控制方程的无量纲形式
• 3.6 边界条件
• 3.7 小结
• 第四章 幂律流体在多孔介质圆管中的流动特征
• 4.1 幂律流体多孔介质管路流动的边界层
• 4.1.1 动量积分法
• 4.1.2 边界层厚度
• 4.2 幂律流体多孔介质管路流动的流速分布
• 4.3 幂律流体在多孔介质管路流动的压降计算
• 4.4 小结
• 第五章 多孔介质中的传热过程
• 5.1 热传导
• 5.1.1 局部热平衡
• 5.1.2 周期性结构的局部体积平均
• 5.2 热对流
• 5.2.1 圆管中的扩散——流体动力学扩散
• 5.2.2 多孔介质中的扩散
• 5.2.3 周期性结构的局部体积平均
• 5.3 小结
• 第六章 幂律流体在多孔介质平行平板中的换热特征
• 6.1 物理模型
• 6.2 能量方程
• 6.3 对流换热解
• 6.4 积分法的有效性
• 6.5 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的成果
• 致谢