多孔材料的流动与换热特性研究

1 引言
由于多孔材料具有比表面积高、相对密度低、重量轻、隔音、隔热、渗透性好等有 点，其应用领域越来越广，如容积式空气吸热器的内部结构就是由多孔材料来构成[1-3]。 多孔材料的换热示意图如图 1 所示，图 2 显示了常用的两种类型的多孔材料。根据多孔 材料的内部结构特征，可将多孔材料分为有序多孔材料和无序多孔材料，具有有序结构 的多孔材料也呈现一些不同的结构，如二维的棱柱结构和三维的桁架和编织结构，具有 无序结构的主要是泡沫材料。 固体结构与流经它的流体之间的热量传递规律一直是热门 研究话题。对于多孔结构能够增强换热的缘由，Fuller 认为有两种不同的机理：一是， 多孔泡沫结构增强了流体的湍流性能，从而增强了换热；二是，由于泡沫结构提供的伸 展表面增强了热量的传递[4]。
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700 600 500 400 300 200 100
3m/s 50000W/s 2 4m/s 50000W/s 2 5m/s 50000W/s 2 6m/s 50000W/s
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0.wenku.baidu.com0
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图 6 空气截面平均流速在流动方向上的变化特性
当空气流经多孔材料时，随着空气温度的增加空气密度降低，空气在多孔材料内部 的流动速度将会不断增长，使流速不断提高，而且由于在流动方向上多孔材料骨架的周 期性变化，使流动截面积周期性变化，因此流速呈现出周期性跳跃的上升趋势。且热流 密度和入口流速越大，空气速度跳跃的振幅越大，空气速度的增加幅度也越大，如图 6、 7 所示。这种速度的跳跃特性对多孔材料而言是有益的，它增强了流体与多孔材料壁面
0.04
0.05
X/m
X/m
图 10 多孔材料壁面温度的变化特性
当设定多孔材料的壁面为恒定热流密度时，流经多孔材料的空气的温度呈线性增 长，图 8、9 显示了空气流动过程中其温度的变化情况。计算管道的出口段为计算区域 的延长段，无多孔材料，即无换热过程，因此，空气以恒定温度流出计算管道，同时该 地区压力梯度很小。 图 10 显示了多孔材料的壁面温度随着流动方向的变化情况，当入口流速不变时， 增加热流密度，壁面温度增加，且壁面温度的波动也增加；当热流密度不变时，增大入 口流速，壁面温度减小，且壁面温度的波动也减小。
基金项目： 国家重点基础研究发展计划 （973） 资助(2010CB227100)和国家自然科学重点项目(50636050)
等。吴志勇等 [17] 将泡沫陶瓷的结构假设为十四面体结构，运用商用 CFD 软件 -FLUENT 模拟计算空气与多孔泡沫陶瓷之间的对流换热系数，数值计算得出了孔隙率、 速度、单元体尺寸、温度等与对流换热系数之间的关系[17]。Petrasch 用 CT（Computed Tomography） 方法得出了真实的多孔泡沫网状结构并数值模拟研究了其渗透性和界面热 交换特性，不过其对计算机的计算能力要求很高[18-19]。 多孔材料的内部结构是非常无规则的， 且流经多孔材料的流体的流动也是弯曲无序 的，为了研究多孔材料内部的流动与换热特性，必须对其研究模型进行简化。目前，在 此研究领域方面， 所使用的研究模型有： 立方体模型 （或者 Dul’nev 模型） 、 面中心模型、 [20-25] 体中心模型、Weaire-Phelan 单元体模型以及 Kelvin 十四面体模型等 。比较而言， Kelvin 十四面体模型可以较好的呈现出多孔材料内部的真实结构特点，且在实施过程中 容易实现，因此，Kelvin 十四面体模型被广泛使用。 本文将多孔材料内部真实的单元体结构简化成十四面体， 运用十四面体模型研究多 孔材料内部的流动与换热特性。本文的主要内容为研究空气流经多孔材料的压降特性、 多孔材料内部的流速特点以及空气与多孔材料之间的换热规律。选取热流密度、入口流 速等参数，研究这些参数对压降、多孔材料内部的空气流速、空气温度以及多孔材料壁 面温度等的影响。
X/m
图 8 空气在流动过程中其温度的变化特性
图 9 多孔材料区域中空气温度特性
5m/s 10000W/m 2 5m/s 30000W/m 2 5m/s 50000W/m 2 5m/s 70000W/m
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y = 0 、 y = 0.0004 、 y = 0.0008 五个平面上压力场的变化特性。
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Static Pressure/Pa
Static Pressure/Pa
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3m/s 50000W/m 2 4m/s 50000W/m 2 5m/s 50000W/m 2 6m/s 50000W/m
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中国工程热物理学会 学术会议论文
传热传质学 编号： 113627
多孔材料的流动与换热特性研究
喻志强，封永亮，周文静，陈黎，李增耀，陶文铨
（西安交通大学能源与动力工程学院热流科学与工程教育部重点实验室，陕西 西安，710049） (Tel:029-82669106，Email:wqtao@mail.xjtu.edu.cn) 摘要：在太阳能空气吸热器中，多孔材料的使用可以获得良好的吸热器性能，即高出口空气温度和高 吸热器效率等。为了对空气吸热器性能进行优化，空气与多孔泡沫陶瓷材料之间对流与辐射换热规律 的掌握是至关重要的。 在本文中采用数值方法对此进行研究， 多孔材料被简化成理想的十四面体机构， 数值计算的区域取为单个流道区域，通过改变参数来研究多孔材料内部的流动与换热特性。研究了热 流密度、入口流速等对压降、空气速度、空气温度即多孔材料壁面温度的影响。 关键词：多孔材料；流动与换热特性；压降；流速；温升
3 结果与讨论
本文在研究过程中，通过给定不同的多孔材料壁面热流密度和空气入口速度参数， 得出压降的变化特性，如图 4 所示。它表明在流动方向上，压力以线性方式下降，且热 流密度和入口速度越大，压降值也越大；但当热流密度较大时，这种线性特征会有所偏 离， 同时在计算区域的末端压力下降速度变缓。 图 5 显示了 y = −0.0008 、 y = −0.0004 、
4 结论
对十四面体单元的 12 个周期多孔材料模型，利用商业软件 FLUENT 计算了多孔材 料内部的流动与换热性能，得出结论如下： 1、 在空气流经多孔材料的过程中，在从进口到下游大部分地区压力呈现线性下降趋 势，且压降值随着热流密度和入口流速的增加而增加； 2、 在空气的沿程流动过程中，空气的速度总体呈波动式上升趋势，且空气速度的跳跃 幅度和增长幅度随着热流密度和入口速度的增大而增加；
[14-16]
2 研究模型及数值模拟方法
本文将计算区域选取多孔材料内部的单个流道区域，此区域长度为 12 个平均单元 体直径，如图 3 所示。空气从如图所示计算区域的管道左端进入多孔材料区，与多孔材 料进行热交换后，从管道右端流出计算区域。在十四面体模型中，平均单元体的直径 d 与多孔材料内部的单个圆柱支柱的长度 Ls 之间关系为 d = 2.828 Ls ， 空隙率与结构尺寸 的关系如下：
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X/m
图 4 压力沿流动方向变化特性
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5m/s 10000W/m 2 5m/s 30000W/m 2 5m/s 50000W/m 2 5m/s 70000W/m
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9.425 d s 3.33 d s ε = 1− + 8 2 Ls 8 2 Ls
其中， d s 为单个圆柱支柱的直径。
Ls
2
3
d
（a）多孔材料模型
（b）十四面体单元
（c）一个周期骨架网格
（d）局部计算区域 图 3 计算区域几何结构图示
多孔材料的内部流动具有很高的湍流强度，一般可以达到 60%～80%[26]。在本文的
的换热性能。
图 5 多孔材料区域中压力场特性
700 800
图 7 多孔材料区域中空气流速特性
600
5m/s 10000W/m 2 5m/s 30000W/m 2 5m/s 50000W/m 2 5m/s 70000W/m Static Temperature/K
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图 1 空气吸热器的工作原理图
图 2 SiC 蜂窝（左）和泡沫（右）陶瓷材料
在多孔材料与流体之间换热特性研究过程中， 诸多研究都是基于所建立的简化模型 基础之上，如局部热平衡模型（LTE Model） ，它假定流体与多孔材料的固体壁面之间处 于热平衡状态，即忽略了两者之间的热交换；与局部热平衡模型相对的是局部非热平衡 模型（LTNE Model） ，它假设在流体与多孔材料的固体壁面之间存在有限的温差，即两 者处于非热平衡状态[5-6]。比较而言，多数理论和数值模拟研究都使用后者[7-11]。例如， Coussirat 和 Guardo 等运用此模型研究颗粒与流体之间的热交换特性[12-13]。然而，这些 模型都将多孔材料内部结构简化成理想结构，如一系列周期性的圆柱体、棒体、立方体
研究过程中，以平均单元体直径为特征尺度的雷诺数的变化范围在 100～1000 左右，已 经进入湍流状态[27]。Vieser 和 Menter 研究表明， SSTk − ω 模型在研究不同结构与操作 参数的条件下换热系数特点的时候能够得出更为准确的计算结果[28-29]。因此，本文在计 算湍流流动时也选择 SSTk − ω 模型。 计算采用商用软件 FLUENT 进行，控制方程为三维、稳态、雷诺平均的 NS 方程， 空气的物性参数设定为以温度为自变量的多项式函数，通过 UDF 实施，计算采用双精 度格式，流场求解采用 SIMPLE 算法，动量和能量方程的离散采用二阶迎风格式[30]。边 界条件的设置如下：入口设为速度入口边界条件；出口设为压力出口边界条件；其它通 道壁面设为对称边界条件；多孔材料的表面设为无滑移、无跳跃及恒定热流密度的壁面 边界条件；本文的计算网格为四面体网格，网格数设为 120 万网格，对所研究的问题进 行网格独立性考核，结果表明 120 万的网格数已经可以获得网格独立解。
3、 在流动方向上多孔材料壁面温度呈波动式上升，且随着热流密度增加壁面温度的增
长幅度和波动幅度增大，随着入口速度的增加壁面温度的增长幅度和波动幅度减小。 参考文献：
[1] [2] [3] Becker M, Fend Th, Hoffschmidt B, et al.Theoretical and numerical investigation of flow stability in porous materials applied as volumetric solar receivers. Solar Energy, 2006, 80(10): 1241-1248 Fend T, Pitz-Paal R, Reutter O, et al. Two novel high-porosity materials as volumetric receivers for concentrated solar radiation. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2004, 84(1-4): 291-304 Fend T, Hoffschmidt B, Pitz-Paal R, et al. Porous materials as open volumetric solar receivers: experimental determination of thermophysical and heat transfer properties. Energy, 2004, 29(5-6): 823-833 [4] Fuller A J, Kim T, Hodson H P, et al. Measurement and interpretation of the heat transfer coefficients of metal foams. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 2005, 219(2): 183-191 [5] Khashan S A, Al-Nimr M A. Validation of the local thermal equilibrium assumption in forced convection of non-newtonian fluids through porous channels. Transport in Porous Media, 2005, 61(3): 291-305 [6] Jiang P X, Ren Z P, Wang B X. Numerical simulation of forced convection heat transfer in porous plate channels using thermal equilibrium or non-thermal equilibrium models. Numerical Heat Transfer, 1999, 35(Part A): 99-113 [7] Badruddin I A, Zainal Z A, Narayana P A, et al. Numerical analysis of convection conduction and radiation using a non-equilibrium model in a square porous cavity. International journal of thermal sciences, 2007, 46(1): 20-29 [8] [9] Jiang P X, Ren Z P. Numerical investigation of forced convection heat transfer in porous media using a thermal non-equilibrium model. International Journal of Heat and Fluid Flow, 2001, 22(1): 102-110 Khashan S A, Al-Amiri A M, Pop I.. Numerical simulation of natural convection heat transfer in a porous cavity heated from below using a non-Darcian and thermal non-equilibrium model. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2006, 49(5-6): 1039-1049 [10] Hayes A M, Khan J A, Shaaban A H, et al. The thermal modeling of a matrix heat exchanger using a porous medium and the thermal non-equilibrium model. International journal of thermal sciences, 2007 [11] Hayes A M. The thermal modeling of a matrix heat exchanger using porous media and the thermal non-equilibrium. 2006, University of South Carolina [12] Coussirat M, Guardo A, Mateos B, et al. Performance of stress-transport models in the prediction of particle-to-fluid heat transfer in packed beds. Chemical Engineering Science, 2007, 62: 6897-6907