低雷诺数时颗粒空间分布对自然对流的影响研究开题报告

全文总字数：7460字

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1 研究目的及意义

当今工业时代，在众多工业生产领域内都要涉及温度和热量这两个概念。目前，我国是世界第一大工业制造国，是全世界唯一拥有联合国产业分类中所列全部工业门类的国家；还是世界第一能源消耗国，且英国石油公司（bp）在北京发布《bp世界能源展望》2019中文版报告称，虽然能源需求增速放缓，2040年中国仍然是全球最大的能源消费国。工业是强国之基，立国之本，能源的有效利用，不仅能提高资源利用率，减少环境破坏与污染，且能够降低对外国能源的进口依赖，发展新能源，将命运把握在自己手中。为了提高传热效率，加快生产效率并提高工艺品质，目前主要采用强化换热的方法来实现目标。但是对于单相气体，由于气体比热小，导热率低会造成传热系数较小，传热效率低下的问题，已不能满足当今众多行业发展的需要。人们经过研究发现，在气相中添加固体颗粒（固相），可以显著提高传热系数，对比单相气体可以提高数倍甚至数十倍，使换热能力在本质上得到提高。因此研究如何提高气固两相间传热效率的问题有助于能源的充分利用，以及提高各种反应器的运行效率。

1.2 国内外对气固传热系数关系表达式的研究

2. 研究的基本内容与方案

2.1 研究（设计）的主要内容

在低雷诺数条件下（Re<20）,通过直接模拟研究颗粒空间分布对自然对流的影响。研究不同颗粒相对位置时自然对流的强度以及颗粒的传热系数，阐明颗粒空间分布增强或抑制自然对流的机理。

2.2 研究目标

初步探明颗粒的不同排列方式对低雷诺数下自然对流传热的影响规律；初步学习格子Boltzmann方法并适用该方法研究气固之间的传热特性。

2.3 拟采用的技术方案及措施

直接模拟基于格子Boltzmann方法。格子Boltzmann方法是一种基于介观模拟尺度的计算流体力学方法。该方法相比于其他传统CFD计算方法，具有介于微观分子动力学模型和宏观连续模型的介观模型特点，因此具备流体相互作用描述简单、复杂边界易于设置、易于并行计算、程序易于实施等优势。

模拟的雷诺数设置为5、10和15，球形颗粒的数目为3。颗粒之间的空间分布如下图1所示。均匀流动的气体由颗粒加热，颗粒的温度恒定。假设气体温度分布不均匀不改变气体的物理性质，如密度和粘性等，而只是产生浮力。在出口处，气体速度和温度沿着流动方向的梯度设为0，其他方向的边界条件设为周期性边界条件。通过计算每个颗粒的努塞尔数并与不考虑自然对流的情况做对比，阐明颗粒空间分布对自然对流的影响。

3. 研究计划与安排

2020年2月10-2月24日：学习掌握传热学基本知识理论，查找英文文献并认真翻译，充分调研阅读文献文章，初步拟定提纲，并完成《开题报告》。

2020年2月25日-3月8日：阅读相关参考文献，熟悉并初步掌握数值模拟方法以及如何设置关键参数，为实验研究作必要的准备。

2020年3月9日-4月10日：阅读前人著作，实践探究颗粒空间排列方式对自然对流的影响。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] schumann t.e.w.，heat transfer of a liquid flowingthrough a porous prism，j． franklin insf． 208 (1929)405 －416．

[2] Ｒanz w.e., marshall w.r.，evaporation from drops，chem． eng． prog． 48 (1952) 141 －146．

[3] wakao n，kaguei s (1982) heat and mass transfer in packed beds． gordon and breach science，new york