基于格子Boltzmann方法的多孔介质沸腾传热机理研究

Boiling heat transfer in porous media are widely used in thermal and power engineering, space technology and electronic cooling etc. The mechanism and phenomena for the boiling heat transfer in porous media are very complicated, and not fully understood by the available numerical methods. The Lattice-Boltzman method has advantages on clear physical picture, easy parallel computation, and simple treatment of the boundary conditions. In this project we will use the three-dimensional non-isothermal multi-phase lattice-Boltzman model. By modifing the body force term in the model, the velocity will be corrected. Besides, the temperature variation range and the density ratio of the two phases will be extended. The single and multi bubble nucleation, growth, departure and coalescence in porous media will be simulated to obtain the temperature and velocity fields. The expreiment will also be performed. Both numerical and experimental studies analyze the effects of the solid skeleton material, porsity, particle size of porous medium on the bubble dynamics and identify the complicated bubble dynamics mechansim. The multi-objective parameter optimization analysis will be conducted. The abovementioned studies provide the basic scientific evidences for the design of enhanced boiling surface using porous media.

多孔介质沸腾传热广泛应用于能源动力工程、航空航天及电子冷却等领域。由于多孔介质内沸腾换热的气泡动力学现象及机理极为复杂，现有数值模拟方法还不能完全揭示这些机理。格子Boltzmann方法物理概念清晰、易于并行计算、边界条件处理简单、扩展性良好，有可能在模拟多孔介质沸腾传热方面取得新的进展。本项目拟采用三维非等温的多相格子Boltzman相变模型，改变模型中处理体积力的方式，对其速度进行修正，扩大其温度调节范围和密度比。拟对多孔介质单气泡及多气泡核化、长大、脱离及聚合等过程进行详细计算，获得相应的速度场和温度场，并进行相关实验研究。分析多孔介质骨架材料、孔隙率、颗粒直径等对气泡动力学特性的影响，揭示沸腾传热机理,对影响多孔介质内沸腾传热过程的诸参数进行多目标参数优化，为多孔材料强化表面优化设计奠定科学依据。

针对多孔介质内沸腾传热过程的气泡动力学现象和机理的复杂性，本项目从数值模拟和实验研究两个方面对多孔介质内沸腾传热过程进行了系统性研究。主要工作和研究成果简介如下：（1）根据气液相变传热温度变化范围大和大密度比的特点，利用粒子间的相互作用势来刻画相变过程，并通过一种精确差分的方法计算体积力，并对速度进行修正，从而构建一种能够精确模拟气液相变传热过程的格子Boltzmann模型。（2）通过上述模型，对在池沸腾传热过程中，整个气泡的生长过程进行了模拟，模拟了气泡成核、长大以及脱离的整个过程，分析了影响气泡生长的各个因素。（3）根据多孔介质的特点，对气液两相流的格子Boltzmann模型进行了改进，在格子Boltzmann演化方程中添加了固体颗粒对气液流动的阻力项，从而构建了一种能够精确模拟多孔介质内气液两相流流动的格子Boltzmann模型。通过该模型，模拟了在多孔介质内气泡穿过多孔介质的整个过程，分析了固体壁面浸润性、邦德数和多孔介质结构等因素对其气泡动力学行为的影响。（4）设计并建成了多孔介质内池沸腾传热实验研究平台，并通过预加热的方式，排除了液体中不凝性气体的影响。（5）通过该实验平台对多孔介质内沸腾传热进行了可视化研究，并分析了影响多孔介质内沸腾传热的各个因素，揭示了多孔介质内沸腾传热机理，为多孔介质材料强化传热表面优化设计提供了理论支撑。..依托本项目，项目负责人获得国家留学基金委全额资助的公派赴美留学资格，并获得“华北电力大学青年骨干教师”的荣誉称号，项目参与人孙东亮获得“教育部新世纪人才”的荣誉称号；发表学术论文9篇，其中SCI收录论文5篇、EI收录论文5篇、国外举办的国际会议论文4篇；培养了在读研究生3名，其中一名研究生获得国家一等奖学金。