摘 要

多孔介质是指由多相物质所占据的空间，而其中没有骨架结构的那一部分被称为孔隙，由液相、气相或者气液两相共同占据。对于多孔介质中的各相来说，都以固相为骨架，占据其中，并且构成孔隙的某些空间会相互连通。多孔介质里的内部非常复杂，其结构没有一点规律，其孔隙大小差别也很大，所以气相或液相在多孔区域里流动的过程其非常复杂。在这个流动过程中伴随一些相与相之间的质量、能量和动量传递过程，这些过程更加复杂，研究起来也就比较困难。随着人们对多孔介质区域的研究日益深入，大量的学者在这一领域已经有了丰富的成果。

首先，本文介绍了非牛顿流体定义、分类及流动特性，简述了多孔介质定义、基本性质及结构参数。

接着建立了非牛顿幂律流体在多孔介质区域内的流动换热模型，介绍了CFD数值模拟理论、CFD软件，建立了数学模型、方腔模型及。

随后探索了流速、幂律指数 n 和孔隙率等对幂律流体在方腔内传热特性的影响。在流速和孔隙率不变的情况下，幂律指数越小，聚合物溶液的局部对流换热系数值也就越大，换热效果越好。在中、低雷诺数的情况下，在起始段处，高孔隙率多孔区域下的对流换热系数相对较小，随着流动的深入，流体在高孔隙率下流动时的流速逐渐大于低孔隙率下流体流速；对于高速流体，对流换热系数主要受流动的影响，此时，孔隙率较大的模型其对流换热系数较大。

最后介绍了多孔介质在电池散热系统的应用和多孔介质在蓄热领域的应用；简单介绍了高温空气燃烧技术和往复式多孔介质燃烧技术。

关键字：多孔介质；CFD；传热传质；非牛顿流体

ABSTRACT

Porous media refers to the space occupied by multiphase materials, and the part without skeleton structure is called pore, which is occupied by liquid phase, gas phase or gas-liquid phase. For each phase in porous media, the solid phase is the skeleton, occupying it, and some spaces that make up the pores will be connected with each other. The interior of porous media is very complex, its structure is not regular, its pore size is also very different, so the flow process of gas or liquid phase in its skeleton is very complex. In this flow process, there must be some mass, energy and momentum transfer processes between phases. Of course, these processes are more complex and difficult to study. At the same time, the research on porous media area is increasingly in-depth, and a large number of scholars have made deep achievements in this field.

Firstly, this paper introduces the definition, classification and flow characteristics of non-Newtonian fluid, and introduces the definition, basic properties and structural parameters of porous media.

The flow and heat transfer model of non-Newtonian power-law fluid in porous media is established. The theory of CFD numerical simulation and CFD software are introduced.

The effects of flow rate, power-law index n and porosity on the heat transfer characteristics of power-law fluid in square cavity are explored. When the flow rate and porosity are constant, the smaller the power-law index is, the larger the local convective heat transfer coefficient of polymer solution is, and the better the heat transfer effect is. In the case of medium and low Reynolds number, the convective heat transfer coefficient in the porous region with high porosity is relatively small at the initial stage. With the deepening of the flow, the flow velocity of the fluid in the porous region with high porosity is gradually larger than that in the porous region with low porosity. For the high-speed fluid, the convective heat transfer coefficient is mainly affected by the flow. At this time, the convective heat transfer coefficient of the model with large porosity is relatively small Big.

Finally, the application of porous media in the heat dissipation system of battery and the application of porous media in the field of heat storage are introduced.

Key words: Porous media; CFD; heat and mass transfer; non-Newtonian fluid

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国外研究历程 2

1.3 国内研究现状 3

1.4 本文主要研究内容 3

第2章 简述非牛顿流体与多孔介质 4

2.1 非牛顿流体 4

2.1.1 非牛顿流体的概念 4

2.1.2 非牛顿流体的种类 4

2.1.3 非牛顿流体的特殊物理现象 4

2.1.4 非牛顿流体流动与换热的相关数学描述 5

2.2 多孔介质 6

2.2.1 多孔介质概念 6

2.2.2 多孔介质的分类 6

2.2.3 多孔介质重要概念 6

2.3 多孔介质流动模型 7

2.4 本章小结 9

第3章 多孔介质中非牛顿流体的流动传热模型 10

3.1 研究的方法选取 10

3.2 数值模拟方法 10

3.2.1 CFD 数值模拟理论 10

3.2.2 有限容积法 11

3.2.3 CFD软件简介 11

3.3 非牛顿幂律流体在多孔介质区域内流动实验参数 12

3.3.1 非牛顿幂律流体的流变性实验参数 12

3.3.2 多孔介质结构参数 12

3.4 数学模型 13

3.5 物理模型及边界条件 14

3.5.1 模拟方腔的物理模型 14

3.5.2 模拟方腔的边界条件及计算区域 14

3.6 网格划分及独立性验证 15

3.6.1 网格划分 15

3.6.2 网格独立性验证 16

3.7 本章小结 17

第4章 非牛顿流体在多孔介质内对流换热研究 18

4.1 幂律流体对流换热系数 18

4.2 多孔介质区域内幂律流体换热分析 18

4.2.1 流速对流体换热特性的影响 21

4.2.2 多孔介质结构对流体换热特性的影响 21

4.2.3 幂律指数对流体换热特性的影响 23

4.2.4 热流密度对流体换热特性的影响 24

4.3 本章小结 25

第5章 多孔介质中的传热研究的应用 26

5.1 多孔介质在电池散热系统的应用 26

5.1.2 电动汽车电池散热的必要性 26

5.1.2 多孔介质对电池散热系统的影响 27

5.2 多孔介质在蓄热领域的应用 27

5.2.1 HTAC技术简介 27

5.2.2 RSCP技术简介 28

5.3本章小结 28

第六章 结论与展望 29

6.1结论 29

6.2展望 29

参考文献 30

致谢 32