球床多孔介质通道高速区流动特性研究

论文摘要

本文以球床水冷反应堆为研究背景,对管内填充玻璃球构成的球床多孔介质通道内单相水紊流区的流动特性进行了研究。实验采用的不锈钢管的内径为50mm,填充玻璃球直径分别为2mm、3mm、5mm和8mm,相应的孔隙率为0.379、0.39、0.397、0.408。实验在常压下进行,流量范围为0.6~10m3/h。多孔介质内的流动特性计算中比较常用的公式为Ergun方程。通过与实验数据对比分析,结果表明在Forchheimer区,传统Ergun经验公式和Macdonald经验公式能够较好的预测流体在多孔介质中的压降,尤其是空隙率较小的情况实验值与经验公式符合的很好,并且随着雷诺数的增加实验值与经验值的吻合更好。在紊流区,传统Ergun经验公式和Macdonald经验公式与实验值出现很大偏差,所以紊流区中不可以用经验公式进行预测。在紊流区,本文以实验值为基础,对Ergun型经验公式的常系数进行了重新拟合得到了较合理的公式。并对紊流区中流动机理进行了分析,随着雷诺数的增大粘性份额不断减小,惯性力所占份额随着雷诺数的增大不断增大,在紊流区中只有2mm的粘性份额与惯性份额有一定交叉,其他小球的惯性份额始终高于粘性份额。本文最后用分形理论分别对Forchheimer区和紊流区进行了分析。结果表明分形理论值在Forchheimer区和紊流区中比传统Ergun型经验公式据有更准确的预测值,而且比Ergun型经验公式有更准确的物理意义。从分形理论可以看出,不仅与流速,空隙率有关,而且孔隙大小,相分形维数,迂曲度分形维数对压力的损失有不可替代的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 多孔介质理论中的一些基本概念
• 1.2.1 多孔介质的定义
• 1.2.2 多孔介质的参数
• 1.3 研究概况
• 1.3.1 理论研究现状
• 1.3.2 多孔介质中紊流的研究现状
• 1.4 本文的选题与主要工作
• 第2章 实验系统和实验设计
• 2.1 实验装置系统
• 2.1.1 循环水系统
• 2.1.2 测量系统
• 2.2 实验段
• 2.3 实验台的调试与安装
• 2.3.1 实验回路的安装与调试
• 2.3.2 测量仪表的安装
• 2.3.3 测量仪表的标定
• 2.4 实验操作步骤及注意事项
• 2.4.1 实验操作步骤
• 2.4.2 实验注意事项
• 2.5 本章小结
• 第3章 颗粒堆积型多孔介质内流动的基本理论
• 3.1 颗粒堆积的多孔介质的孔隙结构的描述
• 3.2 Darcy 定律
• 3.3 Ergun 方程
• 3.4 毛细管束模型
• 3.5 本章小结
• 第4章 球床多孔介质阻力压降实验研究
• 4.1 流区的划分
• 4.2 对已有经验公式的对比分析
• 4.2.1 Forchheimer 区阻力压降与Ergun 型经验公式的对比分析
• 4.2.2 紊流区与Ergun 型经验公式的对比分析
• 4.3 阻力压降公式的拟合
• 4.3.1 紊流区压降公式的拟合
• 4.3.2 常规阻力系数模型
• 4.4 流动机理分析
• 4.4.1 紊流区中惯性份额与粘性份额的变化
• 4.4.2 紊流区数值计算
• 4.5 本章小结
• 第5章 分形理论对多孔介质输运性质的分析
• 5.1 多孔介质输运性质分形分析的基本理论基础
• 5.1.1 沿多孔介质通道的粘性能损失
• 5.1.2 沿多孔介质通道的惯性能损失
• 5.1.3 总能量损失
• 5.2 分形模型与实验结果的对比分析
• 5.2.1 Forchheimer 区阻力压降与分形模型的对比分析
• 5.2.2 紊流区与分形模型的对比分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢