论文题目：湍流横掠多孔介质的传输机理及交界面滑移规律研究
摘要：所谓的多孔介质是由固体骨架和骨架分割成的孔隙构成的物质。油气开采中的天然裂缝和人工裂缝,热管、建筑围护结构和保温材料均可看作是多孔介质。多孔介质与流体之间的传热传质是一个复杂的耦合过程,广泛应用于生产和工程应用的各个领域。例如油、气开采中油、气在油气层与裂缝间的耦合流动问题,热管中工作介质在蒸汽通道与多孔毛细芯之间的耦合流动和换热等。流体与多孔介质之间的传输机理本就十分复杂,湍流流动更是加大求解的难度。尤其是湍流流体横掠多孔介质时界面处的滑移效应对混合区域内流体流动及流体与多孔介质间的传输机理都有很大影响。因此,混合区域交界面的处理及滑移效应的影响规律是许多研究的重点。本文在前人研究的基础上,采用理论分析、数值模拟与实验验证相结合的方法,对湍流流体横掠多孔介质的传输机理与滑移规律进行了研究。本文将湍流流体横掠多孔介质的混合区域简化成二维物理模型。选取与Mohais相同的数学方法描述了流体区域湍流的流动。将纯流体区域视为通道,将通道壁等效为多孔介质墙壁,并采用摄动法以雷诺数为摄动量求解了非线性方程。与以往的研究不同的是,在流体与多孔介质的界面处采用了由Ochoa-Tapia和Whitaker提出的剪切跳跃条件。以剪力跳跃条件作为主要边界条件求得与流动和传热相关的解析解。通过对该解析解的分析,研究了渗透系数、通道宽度、剪切跳跃度和有效动力粘度对通道内流动和传热的影响。得到了通道内轴向速度随特征参数的变化规律及换热灵敏度。建立了由混合区域的特征参数（h,K,β,λ）表征的二维湍流数学模型。采用有限体积法对流体与多孔介质混合区域进行宏观尺度下的数值模拟。本文采用单区域法模拟,将自由流与多孔介质看做一个整体,求解混合区域内的流体流动。采用单区域法求解混合区问题,不需要对界面进行处理,即可满足界面温度、剪切力、速度、压力和相关流量的边界条件的连续性。我们用fluent中的用户定义函数（User Defined Function,UDF）定义了流体的入口速度函数和输运方程的源函数。流体区域与多孔介质区域的控制方程原本是不相同的。我们通过控制UDF在Fluent中定义的源项来实现用一组控制方程控制整个混合区的目的,从而实现单域法。再通过与双域法数值模拟的比较,验证了该方法的准确性和可行性。然后,讨论了不同物理参数对流体与多孔介质界面滑移特性的影响,总结了速度滑移效应的机理,为传热和传质的研究奠定了基础。搭建可视化的流体与传热实验台,对流体横掠多孔介质的传热传质特别是交界面处的滑移效应进行实验研究。本实验台利用超声多普勒测速仪（Ultrasound Doppler Velocimetry,UDV）可以直接获得流体多孔介质内部的流动情况的优点,通过对安装有多孔介质底床的透明玻璃槽道内选定的竖直截面上足够多点瞬时速度的测量即可获得流体与多孔介质混合区域的流动分布,通过更换不同的多孔介质底床研究孔隙率、渗透率等多孔介质特征参数对滑移及整个流场速度分布的影响。发现雷诺数和相对水位高度对滑移速度的影响较大,交界面处的滑移速度随着雷诺数的增大而增大,随着相对水位深度的增加而减小。而孔隙率对滑移速度的影响较小。自由流为多相流且多孔介质尺度足够小时毛细力作用将不可忽略,毛细力作用下两相流流动问题有待深入研究。在单向流仿真的基础上,利用VOF模型和UDF在动量方程中添加毛细力源项,对多孔介质和流体混合区域的两相流模型进行模拟仿真。实验结果表明在体积分数梯度基本保持不变的前提下,多孔介质最大抽吸高度与其内部微通道所提供的毛细力存在确定的关系。
关键词：多孔介质;滑移效应;单域法仿真;超声多普勒测速仪（Ultrasound Doppler Velocimetry,UDV）;毛细力
学科专业：机械工程（专业学位）
摘要
ABSTRACT
符号说明
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 多孔介质与流体混合区域相关实验研究综述
1.3 多孔介质与流体混合区域相关理论研究综述
1.3.1 多孔介质内部流体描述方程的研究
1.3.2 流体与多孔介质交界面边界条件处理的研究
1.3.3 两相流多孔介质混合区域流动的研究
1.4 本文研究内容
第2章 二维流动与传热理论分析
2.1 数学物理模型的建立
2.2 基于体积平均的控制方程
2.2.1 流体区域控制方程
2.2.2 多孔介质区域控制方程
2.2.3 多孔介质区域湍流模型
2.3 混合区域边界条件
2.3.1 进-出口边界条件
2.3.2 壁面边界条件与低雷诺数湍流模型
2.3.3 纯流体区域边界条件
2.3.4 交界面边界条件
2.4 一种基于剪力跳跃边界条件的解析解
2.4.1 模型建立
2.4.2 流动分析
2.4.3 传热分析
2.4.4 与已知解析解的比较
2.5 混合区域特征参数对流动和传热影响规律的分析
2.5.1 流动结果和讨论
2.5.2 传热结果和讨论
2.6 本章小结
第3章 CFD仿真分析
3.1 数值方法
3.2 关于UDF介绍及使用
3.2.1 UDF概述
3.2.2 单域法在UDF中的处理
3.3 数值求解过程
3.3.1 控制方程的通式
3.3.2 方程的离散
3.3.3 速度与压力的耦合
3.3.4 交界面的处理
3.4 仿真模型的建立
3.4.1 初始值设定
3.4.2 网格独立
3.4.3 速度截面选取
3.5 混合区域特征参数对流场影响规律的数值分析
3.5.1 单双域比较
3.5.2 雷诺数、孔隙率、渗透率
3.6 本章小结
第4章 混合区域流动的实验研究
4.1 实验平台的搭建
4.1.1 实验装置简介
4.1.2 实验台工作原理
4.1.3 超声多普勒测速原理
4.2 实验方案
4.3 实验测试
4.3.1 测量截面的确定
4.3.2 实验测试工况
4.4 实验数据处理及结果分析
4.4.1 数据处理过程
4.4.2 实验不确定性分析
4.4.3 实验结果与讨论
4.4.4 与数值模拟的比较
4.5 本章小结
第5章 两相流数值模拟研究
5.1 VOF模型、CSF模型与毛细力源项
5.1.1 VOF模型
5.1.2 CSF模型
5.1.3 毛细力表征的分析与处理
5.2 物理模型的建立与基本假设
5.3 模拟结果与数据分析
5.3.1 数值模拟基本参数的设定
5.3.2 UDF运行效果监视
5.3.3 数值模拟抽吸过程的分析
5.4 本章小结
第6章 结论与展望
6.1 本文结论
6.2 展望
参考文献
致谢