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多孔围护结构封闭腔体内部传热传质数值研究

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致谢

摘要

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国外、国内研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 研究内容与方法

1.4 本文主要工作

1.5 创新工作

2 多孔围护结构腔体内部传热传质理论及模型建立

2.1 概述

2.2 传热传质相关理论

2.2.1 导热过程

2.2.2 自然对流过程

2.2.3 温度梯度与浓度梯度的理解

2.2.4 多孔结构内流动过程

2.2.5 多孔介质内传热传质过程

2.3 多孔围护结构腔体内自然对流及传热传质机理

2.4 物理数学模型的建立

2.4.1 物理模型

2.4.2 边界条件和初始条件

2.4.3 数学模型

2.4.4 数学模型无量纲化

2.4.5 网格无关性验证

2.5 数值计算方法

2.5.1 数值求解方法

2.5.2 求解代数方程的方法

2.5.3 数值求解流程

2.6 数学模型求解方法的验证

2.7 本章小结

3 多孔结构对腔体内部传热传质的影响

3.1 多孔结构厚度及位置对传热传质的影响

3.1.1 多孔结构在高温高浓度侧对传热传质的影响

3.1.2 多孔结构在低温低浓度侧对传热传质的影响

3.1.3 多孔结构在中间区域对传热传质的影响

3.1.4 多孔结构同一厚度不同位置对传热传质的影响

3.2 多孔结构的孔隙率对传热传质的影响

3.3 本章小结

4 无量纲参数及结构参数对传热传质的影响

4.1 无量纲参数对传热传质的影响

4.1.1 瑞利数Ra对传热传质的影响

4.1.2 路易斯数Le对传热传质的影响

4.1.3 浮升比数N对传热传质的影响

4.2 结构参数对传热传质的影响

4.2.1 腔体高宽比对传热传质的影响

4.2.2 线性高温边界条件对传热传质的影响

4.2.3 局部高温壁面位置对传热传质的影响

4.3 本章小结

5 多孔介质接触型太阳能集热墙的应用

5.1 物理模型及边界条件

5.2 接触型多孔介质太阳能组合墙模拟分析

5.2.1 多孔结构存在对传热的影响

5.2.2 混凝土、大理石、石英岩不同多孔材料对传热的影响

5.2.3 粒径、孔隙率对传热的影响

5.3 本章小结

6 结论与展望

参考文献

附录

作者简历

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摘要

开展多孔围护结构封闭腔体内部传热传质研究,认识其自然对流传热传质的行为、基本特性规律,对包含外部围护结构下的建筑室内温度控制、微环境的创造以及建筑节能新技术的发展有巨大的指导意义。本文将理论分析与数值模拟的方法应用于多孔围护结构封闭腔体内部自然对流与传热传质的研究中;对多孔结构的厚度及位置、孔隙率、瑞利数、路易斯数、浮升比数以及研究对象的高宽比等影响因素等进行数值求解得到腔内流场分布、温度及浓度分布;进一步进行理论分析得出:自然对流传热传质行为、基本特性规律。
  首先,采用理论和数值方法研究二维多孔围护结构封闭腔体内部的传热传质问题,将数值计算的平均努赛尔数Nu与其基准解进行对比,得到其最大误差为0.81%,验证了数值方法的正确性。
  其次,利用一区域模型研究上述影响因素不同时模型内部的流动结构、传热和传质效果。得出:多孔结构厚度增加会削弱腔体内流体传热传质效果,并且多孔结构所在位置不同削弱程度不同,当多孔结构在腔体中间区域时蓄热效果最好;孔隙率ε增大,Nu与Sh减小,对流换热的强度与传质强度减弱;当Le<1时,温度对传热传质的影响较剧烈,当Le>1时,浓度对传热传质影响较剧烈,当Le=1,两种影响相当,Nu=Sh;在浮升比N=-1时,流体流动强度及传热传质强度最微弱,N<-1,腔体内流动为逆时针方向,质浮升力占主导地位,N>-1,腔体内流动为顺时针方向,热浮升力占主导地位;Nu和Sh随着高宽比增大而增大,传热和传质的效果越来越明显;左侧垂直壁面为线性温度边界条件时,随着多孔结构的厚度的增大,腔内由对流为主的换热方式向以导热为主的换热方式过渡。局部高温壁面下,对于腔体内局部高温壁面不同位置处的传热传质情况,Nu和Sh先增大后减小,且B=0.6时Nu和Sh最大,而B的增加流动强度是增加的。
  再次,研究多孔围护结构封闭腔体模型应用在多孔介质接触型集热墙体传热分析中,得出:多孔结构起到有效的蓄热效果;对比材料中,石英岩蓄热效果最好;材料的热工性能对蓄热效果有直接影响。

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