多孔介质球体颗粒模型传热传质数值模拟及分析_刘宇卿

多孔介质球体颗粒模型传热传质数值模拟及分析

刘宇卿韩战

（中国矿业大学（北京）深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，100083）

摘要：针对多孔介质传热传质的复杂性，本文利用非等径球颗粒模型构建了一类由颗粒胶

结而形成的多孔介质，通过Fluent数值模拟对多孔介质热传导机理进行了研究，得出了

多孔介质骨架颗粒的热传导规律，证明了利用局部非热平衡模型研究多孔介质传热的正确

性，得到了孔隙介质颗粒体表面热流密度与内部流速、粒径尺寸有重要的内在联系。其中

对非等径球体颗粒堆积模型的研究证明了在同一多孔介质体内不同粒径尺寸的颗粒流固壁

面热传导系数也存在不同。在对渗流问题进行分析时，提出了等径球规则排列模型的不

足，并分析了其中原因，然后利用非等径球模型再次对砂岩渗流问题进行了研究，得到了

更好的结论。

关键词：多孔介质，球体颗粒模型，数值模拟，传热

一、引言

本文将通过构建的球体颗粒排列的多孔介质模型结合多孔介质传热传质理论来进行数值模拟工作。考虑到砂岩中石英的导热系数相对较小，在传热机理分析时，我们采用传热系数相对大的铜作为骨架颗粒，将模拟结果进行提取、分析，并与经验公式进行比对，验证颗粒排列模型分析方法的可行性，并做出简要总结。之后我们利用石英作为骨架颗粒构建砂岩模型，对不同渗流情况下砂岩模型的传热情况进行分析。得到砂岩模型的导热系数、渗透情况等。最后利用砂岩模型与工程实际进行比对，确定此模型的适用性。

二、研究方法及模型的建立

2.1 模型建立

在低流速情况下，与等径模型相同的是在流速方向上球体颗粒表面热流密度呈递减趋势，不同点是非等径球颗粒模型第二排球颗粒表面热流密度有些高于等径球颗粒模型第二排球颗粒表面热流密度。原因是低流速情况下由于上排颗粒及周围液体固液面平均温差相对较小，且温穿透层更厚，所以有更多的热流密度通过固体间的接触传递往下排颗粒，加上大球之间又有小球存在，加大了往下层颗粒的导热量，但同时小

球颗粒面也和周围液体存在热量的传递，所以综合看来，与等径球颗粒模型相比，对应点有些较高有些则较低。

图1 模型建立仿真图

三、结论

（1）流速相同时时，粒径越小，流固壁面热传导系数越大；粒径相同时，入口流速越大，流固壁面热传导系数越大。这与流固传热理论也是相符的。

（2）等径球颗粒之间的孔隙如积传热系数，使对流换热量也更大。所以如果要获得更好的传热效果，可以思考加大换热面积的方法。

多孔介质传热传质研究将在果用更小的球体填充，可以增大比面，即可增大单位换热面积，进而增大多孔介质体未来很长一段时间内，仍将持续成为研究的热点。其关键一是如何构建更能准确反映多孔介质真实物理属性并且便于分析的模型；二是寻求更能准确分析多孔介质体内传热传质的理论。数值模拟手段能够重现实验的过程，数值模拟方法的关键一是采用与实际符合好的理论，二是能构建与实际情况相符的模型，三是采用更准确快速的算法。

参 考 文 献

1．Cluver E. H.．An analysis of ninety-two fatal heat stress cases on Witwatersrand gold mines．South African Medical Journal，1932，615~23

2．王补宣．多孔介质传热传质研究的意义与现状．中国科学基金，1991，13O~32O

3．施明恒．多孔介质传热传质研究的现状和展望．