考虑交叉耦合扩散效应时多物理场自然对流传热传质研究

论文摘要

研究室内复杂物理场中的热量及物质扩散引起的复合自然对流问题有助于了解室内温度、湿度以及气体污染物浓度的分布特性,对进一步改善室内空气品质至关重要。多物理场中的复合自然对流涉及到环境、机械、化工、海洋和气象等诸多领域,其流体动力学特性和传热传质规律一直是人们研究的重点。本文以室内空气品质为研究背景,采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法,考察了室内温度、湿度(水蒸气浓度)和气体污染物浓度的分布特征,探讨了多物理场中自然对流传热传质的基本规律。在热质耦合传递的多物理场中,热力学流与热力学力之间是交叉影响的,即温度梯度的存在对传质具有一定的影响,称之为热附加扩散效应,同时浓度梯度对传热也有影响,即扩散附加热效应。本文以不可逆过程热力学为理论依据,考虑交叉耦合扩散效应的影响,研究在一个封闭系统中同时具有温度梯度、污染物浓度梯度和水蒸气浓度梯度的对流扩散问题,建立了三个梯度共存时层流和湍流自然对流传热传质的数学模型,为了便于更深层次地研究多物理场中的传热传质规律,分析过程中将数学模型进行无量纲化,整理得到影响多物理场中流动和传热传质的无量纲控制参数,通过大量的数值分析探讨了无量纲控制参数对传热传质的影响特性。数值研究结果表明,与单纯的热浮升力自然对流不同,多物理场中传热传质复合自然对流的强弱由热瑞利数Ra和综合浮力比数N共同决定。随着Ra数的增加,流动和传热传质均得到明显的增强。浮力比数的变化可能会增强流动也可能会削弱流动甚至使流动方向发生变化,取决于浓度梯度与温度梯度方向的关系。在本文边界条件下,当综合浮力比数N=1时浓度浮升力与热浮升力的作用正好抵消,系统内没有宏观流动;刘易斯数对传质的影响较为显著,随着刘易斯数的增加,其对应组分的传质速率明显增大;多物理场中交叉耦合扩散效应对传热和传质也有一定的影响,本文针对复合自然对流中交叉耦合扩散效应的影响,提出了修正的传热努谢尔特数和传质舍伍德数的表达式。当温度梯度的方向和浓度梯度的方向相反时,若交叉扩散效应准则数取正值,则传热和传质是相互削弱的,反之,则传热和传质是相互加强的。交叉扩散效应准则数的数值大小与组分的活度有关,需通过实验研究确定。本文在理论分析和数值模拟的基础上,以浓度为1.8%异丁烷作为气体污染物的替代气体进行了交叉耦合扩散效应的实验研究。左右两个密闭容器内充满异丁烷并以微细管道连通,以冷热水浴分别保持两个容器恒定的温度,温度差的存在引起热附加扩散效应促使异丁烷溶质迁移,稳定后测得高温密闭容器内的异丁烷浓度低于低温密闭容器中的异丁烷浓度,该实验表明传质舍伍德数不仅与浓度梯度有关,还受到温度梯度的影响,即热附加扩散效应对传质有一定影响。在此基础上进一步搭建了多组分对流扩散实验台,选用0.5%的丙烷作为污染物的替代气体,在实验测试小室水平方向施加温度梯度、丙烷浓度梯度和水蒸气浓度梯度,测得小室内的温度、湿度和气体污染物浓度的分布,获得了多物理场自然对流传热传质规律,与数值模拟结果比较发现二者吻合较好。多物理场中的传热传质影响因素众多,规律较为复杂,传热与传质相互影响且存在强烈的非线性耦合作用,本文重点研究了各个因素的影响特性,得到了多物理场中各控制参数对传热传质的影响规律,为研究多物理场中的热质传递奠定了理论基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号表
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 本文的研究意义
• 1.3 室内污染物的散发及多物理场自然对流传热传质的研究综述
• 1.3.1 污染物散发的研究进展
• 1.3.2 考虑交叉耦合扩散效应时多物理场自然对流的研究进展
• 1.4 课题概述
• 1.4.1 本文的研究目的
• 1.4.2 本文的研究内容
• 1.5 本章小结
• 第2章 多物理场中自然对流传热传质机理及数学模型
• 2.1 概述
• 2.2 多物理场中自然对流传热传质的理论分析
• 2.2.1 不可逆过程中热力学流与热力学力的关系
• 2.2.2 二元体系中热质耦合传递机理
• 2.2.3 交叉耦合扩散系数
• 2.3 多物理场中二维层流自然对流数学模型
• 2.3.1 基本假设
• 2.3.2 数学模型
• 2.3.3 基本方程的无量纲化
• 2.4 数值求解方法
• 2.5 计算方法的校验
• 2.5.1 网格无关性的验证
• 2.5.2 热浮升力自然对流问题的校验
• 2.5.3 双扩散自然对流问题的校验
• 2.6 本章小结
• 第3章 多物理场中扩散与层流自然对流传热传质的数值模拟
• 3.1 概述
• 3.2 纯扩散条件下的交叉耦合扩散效应
• 3.2.1 纯扩散条件下热扩散效应对浓度场的影响
• 3.2.2 纯扩散条件下扩散热效应对温度场的影响
• 3.3 多物理场中自然对流传热传质
• 3.3.1 多物理场中自然对流机理概述
• 3.3.2 瑞利数对流动和传热传质的影响
• 3.3.3 浮力比数对流动和传热传质的影响
• 3.3.4 刘易斯数对流动和传热传质的影响
• 3.3.5 多物理场中交叉扩散效应对流动和传热传质的影响
• 3.4 多物理场中暂态自然对流传热传质
• 3.4.1 暂态自然对流随无量纲时间的变化
• 3.4.2 多物理场中交叉扩散效应对暂态自然对流传热传质的影响
• 3.5 温度梯度和浓度梯度的交叉耦合分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 多物理场中湍流自然对流的数值模拟
• 4.1 概述
• 4.2 湍流的特点及数值模拟方法
• 4.2.1 湍流现象的描述
• 4.2.2 湍流的数值模拟方法
• 4.2.3 Reynolds时均方程法介绍
• 4.2.4 k-ε两方程模型
• 4.3 多物理场中考虑交叉扩散效应的湍流模型
• 4.3.1 基本假设
• 4.3.2 考虑交叉扩散效应的湍流模型
• 4.3.3 考虑交叉扩散效应的湍流模型无量纲化
• 4.3.4 近壁区流动的特点及壁面函数法
• 4.3.5 湍流计算方法的校验
• 4.4 计算结果及讨论
• 4.4.1 层流向湍流的过渡
• 4.4.2 多物理场中瑞利数对湍流流动和传热传质的影响
• 4.4.3 多物理场中刘易斯数对传质的影响
• 4.4.4 多物理场中热扩散效应准则数对传质的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 多物理场中多组分对流扩散的实验研究
• 5.1 概述
• 5.2 交叉扩散系数实验
• 5.2.1 实验方案
• 5.2.2 实验系统组成
• 5.2.3 实验系统各部件简述
• 5.2.4 实验测试
• 5.2.5 实验结果及分析
• 5.3 多组分对流扩散实验
• 5.3.1 实验原理及方案
• 5.3.2 实验系统的组成
• 5.3.3 实验方案
• 5.3.4 实验测试
• 5.3.5 实验的不确定度分析
• 5.3.6 实验结果及分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 本文结论
• 6.2 本文创新点
• 6.3 本文的不足与展望
• 参考文献
• 附录 1 实验数据
• 附录 2 Numerical study of heat and mass transfer by laminar and turbulent natural convection with cross diffusion effects in square cavity
• 1.Introduction
• 2.Model development
• 3.Numerical solutions
• 4.Results and discussion
• 5.Conclusions
• Reference
• 附录 3 Soret and Dufour effect on turbulent natural convective heat and mass transfer in a square cavity
• 1.Introduction
• 2.Model development
• 3.Numerical solution
• 4.Results and discussion
• 5.Conclusions
• References
• 攻读博士学位期间所发表的学术论文和获得专利
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表