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1、多孔介质中流动换热特性的研究进展 多孔介质中流动换热特性的研究进展 闫晓肖泽军黄彦平王飞 鎏皇壁萋萼銮冀三些墨望：耋蛩岔罂!”少妄研究者采用热线风速仪、微孔探 蒌銎皇竺势竺翌耋曼璧苎煮黧旦篓王宇针以袤薮晃翁磊发蕃篙磊磊茎；釜孬；i 挚物量等蛩! 至璧望塑 ! 蓼譬要萼蓑毛：竺笄磊；荔莓霜磊蒹运孬芋薪翥南_ 蓄；薪 。多銎坌要塞曼塞翟登璧肇孔曼苎妻!芫箬去；，萎美! ；磊蓑蛊磊菩诺釜嘉壶曩 苎譬雪塞璺兰妻璧蛩竺璧妻，出塑璧效璧j ：_ 蒿爵：i 芤齐羞磊j ：i ：举吞茬翥享嘉豸 堡堡耄銎董婺安竺鎏銎篓蟹璧耋茎蛩：。篓毫毯署羔主釜晶_ 蚤茈，若蔷爵享巍 竺质塞套主銎窖要! 至2 苎攀兰鎏宴窆分弃
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3、黎聂箧磊。莳呈蚤磊? 。夏磊：h 三二：。藉 攀登：。翌量麦銎釜望害流竺至奎磐茎：；型蒜磊三：f 飞畜嘉) 葫瓷i 另：“羞蔷菩薮篙 垒釜銎兰翟篓茎翌复窭二耋妻重妻望黧要享磊藩算蔷爵：元芽羞；晶茹荔萎藻芏 皇冀及苎粤堂譬妻二挈苎翼赞苎传妻銎墓 毛磊荟磊磊磊赢- 茜盖_ 嘉荔磊磊秃磊妄 耄面二冀全兰凳詈要三凳兰坌析n 鍪譬篓 葳葛磊荔薇端薪灸艾莩：誉磊喜柔：。嚣爻 苎：。窭篓罂妻笠各竺要彗专壁：。堡妻三要 美军磊磊兰磊；茗芤弃矗军蒹荔磊舞凳菡 室翌量竺苎銎堡二对耄跫垒堡烹誊銎兰篓采亮喜_ 套算支聂茁箱磊壶；，“磊磊菇莩 茔的銎理妻至童量- 套含要垫尝篓竺譬望杀荔面元荞轰爵薪装猫蒸嘉妥蒜二= ；弈
4、 内，这一研究方向仍然是工程热物理领域 二“一一“”一“”“”“。4 7 “ 3 9 7 多孔介质中流动换热特性的研究进展 表l 填充床中湍流起始雷诺数 T a b l elR e y n o l d sn u m b e r sc o r r e s p o n d i n gt 0t h eo n s e tO fn u c t u a t i o n si np a c k e db e d s 研究者 多孔介质模型 探针测量位置 湍动开始值，R e p 。n J o l I s 鲫dH 锄r a t t y ，1 9 6 6 ，球形颗粒堆积，d - 2 5 4 c m多孔结构中心1 1
5、 0 1 5 0 W 堙n c r ，1 9 7 l 球形颗粒堆积，d = 7 5 伽多孔结构中心9 0 1 2 0 D y b b s 锄dE d w 缸d s 1 9 8 3 圆柱体排列多孔结构中心 3 0 0 ( R c ，) L a t i f i ，1 9 8 9 球形颗粒堆积，d = o 5 锄 壁面l l O l 沁d c 1 9 9 4球形颗粒堆积，d 篇o 5 c m壁面l l O 1 5 0 S e g I l i l l ，1 9 9 8 球形颗粒堆积或圆柱体排列壁面 1 8 0 表2 高雷诺数下不同多孔介质中的结果 T a b l e2R e s u l t So b
6、t a i n e di nd i f f e r e n tp o r o u sm e d i aa th i g hR e y n o l d sn u m b e r 研究者多孔介质模型测点布置湍流工况对应雷诺数判别标准 M i c k l e y ，1 9 6 5 球形颗粒，d _ 3 8 l m m中心 R c 蛳暑4 0 0 0 ，7 0 0 0 速度出现脉动 J o l l s 1 9 6 6 球形颗粒，d = 2 5 4 咖 中心 R - 3 0 0 流线可视化观察 V 锄d e r 1 9 7 l球形颗粒，d _ 7 c m中心 R c 坩l - 2 5 0 0 ，5 0
7、0 0 ，lo 0 0 0 ，2 7 0 0 0速度的湍动强度 L a t i 矗1 9 8 9 球形颗粒，d = o 5 c m边壁 R c 口- - 4 0 0 摩擦系数的改变 R O d e 。1 9 9 4球形颗粒，d = 0 5 c m边壁 R e p 叭3 0 0 ( 表观湍流) 速度梯度 H a l l 1 9 9 6 泡沫陶瓷 中心 R c ：= 1 5 0速度湍动度 S e g u i n ，1 9 9 8 球形颗粒，护5 ，8 m m 中心 R c 口- “= 9 0 0 、 速度梯度 3 流动阻力特性 高雷诺数下多孔介质中的流动不再满 足达西渗透定律，前人针对多孔介质中的
8、 非达西流动阻力特性进行了大量的研究， 通过简化提出了毛细管模型和阻力模型， 在理论上对多孔介质中的流动进行合理的 简化【l l 之们。在实验研究的基础上，提出了 许多经验和半经验的阻力预测模型，其中 比较有影响力的包括K o 孔n y C 蝴锄方程 d r o p 和E r l 弘n 公式，但主要用于单相流体的阻 力计算，对于两相流动的阻力预测并不适 用。近4 0 多年来，随着两相流动研究的进 展，以L a r k i n s 、F o r d 、T u r p i n 、S a a d a 、G o t o 、 K h a n 、J a m i a l a h m a d i 以及姜培学等
9、人为代 表的研究者提出了许多适用于两相流动阻 力计算的经验式，但每种计算模型均不能 很好地外推，对于相同的物理问题，不同 经验式计算的结果出现较大的差异。比较 有代表性的阻力计算模型如表3 所示。 表3 流动阻力的预测模型 m 兆l e3C o r r e l a t i o ns u g g e s t e df o rt h ep r e d i c t i o no fs i n g l c - a n dt w o p h 舔ef l o wp r e s s u r e 研究者 关系式适用范围 D a r c y ，1 8 5 6 P 单相，达西流 T 。一；即 B l a k e
10、，1 9 2 2 竺；丝旦旦 单相，达西、非达西流 L gg c p 8 。 K o z 伽y - C a 册觚，l9 5 2 等一s 竽所 单相，R e 2 L e v a ，1 9 4 7 竿= 警警严c 铹 单相，达西、非达西流 3 9 8 多孔介质中流动换热特性的研究进展 U 强m ，1 9 5 2 竿娟。哥竹“，s 等 单相 粤：1 2 姗 I F L 缸k i 璐觚dW h i t e ， - 嘁扯箍_ ) = 。鸭辫- ，= 哔，争 气液两相流，均匀流或非均匀 1 9 6 l 流 F o r d ，1 9 6 0 譬= n 0 4 斧朋妒妒 气水两相流，d p _ I m m d
11、 i = 4 5 2 c m T u i n 觚d 等= 缘z 两相流动 H u n t i n g c o n ，1 9 6 7 唔严= 1 n Z = 8 一1 1 2 l n z O 0 7 6 9 ( I n Z ) 2 + o 0 1 5 2 ( I l I z ) ， z = 轧P | R 毒P 筹“H o o o A c v 锄d T 巧e c ，1 9 6 8 z = 。笔等等二等- 嘶 单相。R c 枷O S a a d a ，1 9 7 2 等= o o z 锄酽黜l 鲫哮，- ： 两相流，一2 1 1 5 3 2 R c - 。1 5 6 C o m i t i 锄dR
12、c n 鲫d 等= 私g 笋口z f 2 吩+ o 嗍r 伽等笋弓 单相，层流 1 9 8 9 G o t o 锄dG a s p i l l o ， 等砂哔+ 争，- n ，= 呱工六篆酯+ 两相流，均匀流或非均匀流 1 9 9 2 K h 狮柚dV a 帅a ，1 9 9 7 盟：型旦， 两相流 二 M 。 b u b b 眈p u l s c 锄ds p r a yn o w b u b b l yn o w ：，珈- 0 7 时博邯白 f c 西m 骼 p u l s cn o w ：，观，6 x t 0 7 时誓白j s p m yn o W ：，3 9 l 删叫m w 啦寺 S c
13、 g I l i n ，1 9 9 8 等；矿错矿7 ，+ o 。j 2 l 畔) 单相，层流或湍流 J i 姐g ，2 0 0 3 伽艺冬竽；1 婴Io 6 3 单相，R c 枷，烧结颗粒多 “l 一厶3 G 2 工R c 孔层，颗粒尺寸1 O 2 0 m m J 锄i a l a h m a d ia n d 单相： R c l O M n I I e r s t e i n h a g e n 等= 吾6 铲一手2 薏+ o 抛 2 0 0 5 两相： 等= 6 铲w 吾= 舛学+ “ 在传统的分析过程中，气液两相分别 作为连续介质单独建模，没有充分考虑气 液之间的相互作用以及气液处于分
14、散态时 的不连续性对流动的影响，大量运用宏观 定义，对流动现象的微观机理分析不够【2 们。 流动相在固定相壁面处发生热交换产生的 局部自然对流对强迫对流的影响在前人的 研究中也未得到足够的重视。近年来少数 研究者利用可视化对多孔介质中的两相流 动进行了微观层次上的研究，但未涉及流 动相在多孔介质固定相表面上的相交，对 于多孔介质中的流型变化没有进一步研 究 4 传热特性 流体在多孔介质中流动的一个主要特 点就是弥散效应的存在。在流体的动力弥 散现象中包括两种同时发生的基本输运过 程：对流和分子扩散。由于孔隙系统的复 杂结构使流体微观通道的尺寸和形状随处 各异，造成流体流动的速度分布在各个局 部
15、处均不同。弥散现象的存在，使多孔介 质中的传热规律具有特殊的复杂性 4 1 强化传热 3 9 9 多孔介质中流动换热特性的研究进展 粒状多孔层中的沸腾两相流与传热属 于微尺寸结构中的沸腾两相流与传热的范 畴，是多孔介质两相与多相热物理研究的 一个重要内容，同时，薄的粒状多孔层是 一种高效的强化沸腾传热结构多孔介质 的特性取决于孔隙率，有效半径、渗透率 以及有效导热系数等因素，因此，这些特 性也是影响多孔介质中传热传质规律的因 素。 近些年来针对多孔结构强化传热展开 了大量的研究，J e i g a m i l ( 在平板之间填充 了不同结构的多孔物质利用水和空气分 别作为冷却介质，通过实验发现
16、多孔介质 可将板间对流换热系数提高5 1 0 倍，但 流动阻力更大程度的增加；z e i g a m i c k 和 H a r i t o n o v 等人在平行平板之间填充金属多 孔介质，冷却工质为单相水时换热系数比 不填充时提高了5 1 0 倍；硒o i c h i 和 T a k e s h i 研究了多孔介质中的强制流动及 局部换热的变化规律，认为存在一个最佳 D a r c y 数，在多孔介质颗粒导热系数较高的 情况下可以有效促进对流换热并造成相 对较小的流动阻力，获得最优的强化传热 效果；H w a n g 和C h 对比了填充不同导热 系数的烧结颗粒时换热系数的变化，发现 强化传热的效果随着颗粒导热系数的增加 而增强，在
