多孔介质中的传热研究开题报告

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1. 研究目的与意义（文献综述）

研究的目的及意义

多孔介质内的传热与流动对各种工业生产和建筑节能环保领域有着重要的影响。多孔介质的传热已经引起了许多国内外学者的关注，经过长期的发展，多孔介质传热问题在地源热泵的开发、保温材料的隔热、石油开采、太阳能的利用、食品干燥等领域都有所涉及。这些传热过程都与人们的生产生活息息相关，多孔介质理论的发展可以对不同学术理论的交叉和创新起到较大促进作用。因此多孔介质传热研究具有这重要的工程应用前景和重大的学术价值。在建筑领域，多孔介质材料常被用来作为保温隔热材料和结构材料。太阳能墙体中加入多孔金属，在多孔金属上涂有吸热材料，可以在极大程度上将太阳能转化成热能。水电站、桥墩等工程中用到的大体积混凝土加入粉煤灰，不仅可以节约原料，改善混泥土的质量，还可以降低导热能力，减少成本。空心砌块砖的生产可以加入多孔介质炉渣，在砖的高温制作过程中，炉渣会分解出气体，并使砖坯内生成许多孔隙，以此来增加孔隙率和增强绝热能力，并且还降低了砖的重量。在建筑节能方面，太阳能采暖系统还可以应用工质相变在多孔介质中的流动机理来进行采暖。如今进行节能减排已经成为全球关注的重点，而许多多孔介质材料更是废物利用，这不仅提高了循环经济、减少土地占用率，而且还可以提升室内居住环境。这些材料和技术都与多孔介质的传热理论联系紧密。因此对多孔介质传热的研究有助于推动环境的保护和建筑的节能。在新能源利用上，分析核反应堆的安全性时，冷却碎片床技术中应用了多孔介质两相流的传递理论。许多欧洲国家太阳能发电系统的吸热器中采用多孔介质，可以使出口空气达到较高的温度以此驱动热机发电。核能和太阳能都属于清洁能源，核能高效、太阳能持续性强。发展多孔介质的传热和两相流理论，有助于我国绿色能源的开发与利用。在工业生产中，往复式多孔介质燃烧技术具有效率高、低污染的特点，可以增大燃烧的最大限度、节省原料，在处理各种废弃物的方法上，比其他的技术要更具优越性。医疗、航天等多领域都要应用液氦，但其内部若是有细小固体颗粒会造成内部污染，因此需要进行过滤，不锈钢多层丝网烧结制作而成的一种多孔材料，应用在液氦的过滤过程中，由于其具有强度高，可以不受高压影响的工作，可以长时间使用的特点，在净化液氦的过程中可以尽最大可能的去除了颗粒杂质，达到合理的纯净度。多孔介质在工业强化换热中的应用也非常广泛，在圆管或水平板中填入金属网、泡沫陶瓷多孔介质，可以显著增加管内或平板内流体的有效导热系数，大幅提高换热性能。在农业生产中，农作物存储的干燥问题要应用多孔介质的干燥技术，在空气湿度大的沿海地区和湿地等，在存放作物的过程中容易出现作物变质的情况,造成粮食资源的损失。多孔介质的干燥过程是一个比较复杂的物理过程，涉及到毛细理论、渗透原理、多相流理论等多门学科，完善多孔介质干燥理论和加强对干燥过程的实践，可以节约农业生产过程的能源消耗，以及保障我国农产品质量，具有很大的实用价值。综上，多孔介质传热理论在生产生活、工农业发展的利用广泛，先进的多孔介质应用技术会改善人们的生活方式和生产效率。而多孔介质内的传热流动方向，依旧存在着很多可以继续发掘的理论和应用，所以对多孔介质内部的研究，不仅可以认识自然规律，而且有助于建筑节能新方向的发展。

国外研究现状 多孔介质中的流动与传热应用广泛，国外很早时候就已开始进行研究。最早在1856年，法国工程师达西提出了darcy定律，在针对dijon城市水资源供应研究而得出的水文学理论中提出，他对于均匀多孔介质展开了实验，选择的流体状态为单向稳定的流体流动，得到的了流体在多孔介质中单向流动速度与其压力差比的规律，其中流体在均匀介质中的稳定单向流动实验表明流体流速与压力差的比例特性，以此推出土壤孔隙中水的渗流特点。

2. 研究的基本内容与方案

多孔介质内流动与传热问题的研究通常运用的方法有理论分析、实验方法和数值计算三种。三者相辅相成，联系紧密。通常可以采用三者中的一-种或两种方式进行研究，得出结论以后用第三种方法进行验证及对比分析，以此验证所用方法的准确性。 理论分析是通过物理过程中存在的机理及物质运动规律、物质的形态和限制其发生规律的条件等，创建数学方程，运用公式代替模型进行计算，结合已有的物理和数学理论，如高等数学，高等物理等各种知识，建立综合性质的方程公式，以此得出物理过程的结果。如流体力学中常用的纳维一斯托克斯方程、伯努利方程都属于理论分析的范畴。理论分析的根源是数学运算，通过不断的运算向下推进，所以其结果有较高的严密性和准确性。在数值计算和实验之后，用理论分析的方法对其进行验证，是研究多方面物理过程的坚实基础。在研究中很多新的数值计算方法都是在理论分析的基础上得到的数学方程，而不断研究的问题也日渐复杂，以至于方程非线性化程度越来越高，解计算起来难度日益增加，因此在研究过程中还要同时采取其他的方法共同进行。 实验方法时通过各种器材、设备符合--定规则的步骤对所要研究的目标进行直接的观察、测量，以此来发现目标的物理规律的研究方法。本文的研究中含有实验测量，多孔介质内部传热传质问题的研究发展最初都要依赖于实验探索，在探索过程中产生了许多理论，还有多孔介质传热很多规律及公式都是通过实验方法得到并深化研究而得出。实验研究更加符合实际情况，得出的结论也更加直观，具有较强的说服力。在实验过程中需要注意的是误差问题，因为人为操作的实验或是机械设备的测定等，都会存在不同程度的误差，甚至是错误，所以实验过程必须保证严谨的操作态度，不能犯错，并尽量较少误差，尽管如此，试验方法依旧是发现物理规律最有效的方式。对于本文研究的多孔介质内的传热方面的实验，在国内研究并不多，尤其是在多孔介质内存在两种流体的情况时的传热情况更是少之又少，多孔介质实验技术和原理需要进一步成熟， 因此也需要不断尝试并得出有用的基础性数据。因此对于多孔介质内不同流体情况的实验，可以对理论分析及数值计算奠定较好的数据基础，及可靠的验证方式。数值计算是随着计算机不断发展而不断兴起的方法，将数学中的方程、物质状态及边界条件等输入在计算机中计算得出物理规律的数学形式。其优点是省时省力，有较高的效率，操作容易，并且可以在电脑上直接的读出结果。各种计算软件也越来越多，即准确度也在不断提高，各种科研领域都在研发自己的计算软件。但其计算时可以选择的运算方式也较多，不同的算法结果会有一定程度的偏差，对于模型的网格划分等也会影响结果。所以选择最适合的方式进行数值计算才能有效的得出准确的结论。结合理论分析和实验验证可以更加确定数值计算得出数据的准确性。 可见理论分析、实验方法以及数值计算都有自身相应的优点与不足，均是研究多孔介质热质传递问题的有效手段。结合三种方法可以相互补充、相互验证，可以得到更好的研究效果。通常主要采用其中一种或两种方法，其他方法作为对比与验证。本文以数值计算为主，在理论分析的基础上，进行实验研究和数值计算研究。将实验研究结果与数值计算结果对比，以验证数学模型和数值解法的正确性,同时得出理论分析、实验研究和数值计算研究结论。研究内容主要为:(1)在理论指导下，搭建两侧恒温差长方体多孔介质实验台，测量了多孔介质内流体为空气、流体为水及流体为气水分层的情况下的温度分布。(2)数值计算和理论研究多孔介质流动与传热的影响因素。研究ra变化对多孔介质不同流体情况下的流动与传热影响。并对空气与水不同比例下的多孔介质传热进行计算与理论分析，研究不同ra变化对空气与水比例不同情况下的多孔介质流动与传热的规律。(3)研究了多孔材料炉渣作为地基材料时，在有地下水的情况下，其内部传热及对建筑外墙和室内温度环境的影响规律。

本主要以多孔介质内气水分层传热流动为研究对象。主要运用实验及数值计算的研究方法，通过进行数值计算与实验结果的对比，验证数值方法的正确性。对多孔介质不同比例的气水分层流体的传热规律及建筑所涉及的炉渣地基进行研究。研究的主要内容如f: 介绍多孔介质流动及传热的数学模型和数值计算方法。首先介绍多孔介质腔体内自然对流及传热的数学模型，并推导出数学模型的无量纲形式，其次介绍了数值求解的常用方法，最后介绍了求解代数方程的方法。 进行多孔介质内三种不同流体的传热实验，通过设置温度测点，对多孔介质内流体为空气、流体为饱和水及流体为气水分层时的温度分布进行了测定，通过实验数据进行整理分析，发现三种状态下的传热特点。并用实验的结果与数值结果进行验证与比较，证实数值结果的准确性。

3. 研究计划与安排