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碳纤维类毛细材料在低温下的传热性能研究

作 者: 李慧燕
导 师: 陈叔平
学 校: 兰州理工大学
专 业: 化工过程机械
关键词: 多孔介质 传热特性 气液两相 材料密度 数值模拟 孔隙度
分类号: TK124
类 型: 硕士论文
年 份: 2008年
下 载: 91次
引 用: 2次
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内容摘要


多孔介质多相流动的热质传输问题近年来出现在许多科学和工程技术领域中,包括航天航空、石油储油工业、地下水去污工程、热管技术,干燥工艺、颗粒材料处理以及地热储能工业等。本文以碳纤维为研究对象,借助流体力学理论、多孔介质传热传质理论、气液两相流、计算流体力学以及试验研究和数值模拟,对碳纤维类毛细材料在低温下的传热特性进行了分析研究。首先,本文对多孔介质的内部传递过程进行了分析以及对Darcy定律进行了简单的介绍,并且在前人的基础上,重点对多孔介质中的连续性方程、动量方程和能量方程进行了推导,在此基础上建立了多孔介质中流动的基本方程,并综述了三种多孔介质两相流动的模型:SFM独立流动模型、两相混合物模型和新的三区模型。其次,进行试验方案的设计,并在此基础上,以液氮为工质在试验件内填充毛细材料进行毛细材料在低温下的传热特性的试验。对试验数据结果详细的比较分析,实验结果表明在填充多孔材料以后夹板表面低温维持时间明显增加,主要原因是由于多孔材料蓄液能力与吸附效应的联合作用改变了传热特性,且材料的密度与其传热特性有着密切的关系。在一定范围内,随着多孔材料密度的增大,其传热特性不断增强。填充多孔材料时所消耗的液氮量要大,主要原因是多余消耗的这部分液氮潜热正好用于补充低温维持时间增加所产生的热损。然后,利用Fluent软件对试验件内填充毛细材料传热过程的温度场进行模拟分析,得出当孔隙度为0.85时,在同一时刻试验件壁面温度最低。且对比分析模拟结果与试验结果,得出影响试验结果与模拟结果之间误差的主要因素有:实验装置的漏热、测温仪器的误差以及环境的辐射热等。

全文目录


摘要  8-9
ABSTRACT  9-11
插图索引  11-12
附表索引  12-13
第1章 绪论  13-21
  1.1 多孔介质  13-14
  1.2 多孔介质中传递问题的研究综述  14-15
    1.2.1 国内外研究概况  14
    1.2.2 国内外研究发展趋势  14-15
  1.3 多孔介质传递问题研究的意义  15-16
  1.4 本课题研究的碳纤维类毛细材料概述  16-18
    1.4.1 碳纤维的分类及主要性能  16-17
    1.4.2 国内外碳纤维发展状况  17-18
    1.4.3 碳纤维的应用  18
  1.5 本课题的来源、研究内容、方法及意义  18-21
    1.5.1 本课题的来源  18
    1.5.2 本课题的研究内容  18-19
    1.5.3 本课题采用的研究方法  19
    1.5.4 本课题的研究意义  19-21
第2章 多孔介质内部传递过程的理论基础  21-33
  2.1 多孔介质中的传热过程  21-22
    2.1.1 多孔介质中的导热过程  21-22
    2.1.2 多孔介质中的对流换热过程  22
  2.2 多孔介质的传质过程  22-24
    2.2.1 分子质量扩散  22-23
    2.2.2 对流传质  23-24
  2.3 流体流动的基本特性  24-26
    2.3.1 理想流体与粘性流体  24
    2.3.2 牛顿流体与非牛顿流体  24-25
    2.3.3 可压流体与不可压流体  25
    2.3.4 稳定流动及非稳定流动  25
    2.3.5 流体的流动状态  25-26
    2.3.6 流体热传导及扩散  26
  2.4 多孔介质的宏观性质  26-32
    2.4.1 多孔介质的孔隙度  26-27
    2.4.2 比表面积  27
    2.4.3 渗透率  27
    2.4.4 Daroy定律的推广  27-28
    2.4.5 连续性方程  28-29
    2.4.6 动量守恒方程  29
    2.4.7 能量方程  29-32
  2.5 本章小结  32-33
第3章 多孔介质两相流模型的研究  33-43
  3.1 多孔介质两相流的基本理论  34-37
    3.1.1 两相流概论  34-35
    3.1.2 流体的饱和度  35
    3.1.3 界面张力和润湿性  35-36
    3.1.4 毛管力  36
    3.1.5 相对渗透率  36-37
  3.2 多孔介质两相流模型发展  37-42
    3.2.1 两相流的一维流动与传热分析  37
    3.2.2 SFM独立流动模型  37-38
    3.2.3 两相混合物模型(Two-Phase Mixture Model)  38-40
    3.2.4 新的三区模型  40-42
  3.3 本章小结  42-43
第4章 试验研究  43-63
  4.1 试验方案的设计  43-47
    4.1.1 试验目的  43
    4.1.2 试验装置  43-45
    4.1.3 试验仪器  45
    4.1.4 试验样品  45-46
    4.1.5 试验步骤  46-47
  4.2 试验结果及分析  47-61
    4.2.1 试验数据记录  47-54
    4.2.2 变化曲线  54-61
  4.3 试验结果分析  61-62
  4.4 试验结论  62
  4.5 本章小结  62-63
第5章 数值模拟  63-75
  5.1 CFD的求解过程  63-64
  5.2 数值模拟的基本理论  64-69
    5.2.1 模型建立及网格划分  64-65
    5.2.2 边值条件  65
    5.2.3 控制方程  65-66
    5.2.4 通用控制方程的离散  66-69
  5.3 数值模拟  69-73
    5.3.1 温度场数学模型  69-70
    5.3.2 温度场的模拟  70-73
  5.4 实验结果与数值模拟结果的比较  73-74
  5.5 本章小结  74-75
结论与展望  75-77
参考文献  77-81
致谢  81-83
附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录  83-85
附录B 液氮的热物理性质  85-86

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中图分类: > 工业技术 > 能源与动力工程 > 热力工程、热机 > 热力工程理论 > 传热学
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