幂律型非牛顿流体在多孔介质中对流及传热特性研究

Flow and heat transfer of non-Newtonian fluid in porous media is an uiversial physical process in nature, industury and agricature. In the proposed project polyacrylamide solution would be choose as power-law type non-Newtonian fluid, porous media channel would be structured by the regular array of metal copper ball as the porous skeleton, flow and heat transfer mathematical model would be established for power-law type non-Newtonian fluid in porous media. By the numerical solution of the model using fluid-solid coupling method, the parameters such as velocity, temperature, shear rate and shear stress would be obtained for the flow and heat transfer of the power-law type non-Newtonian fluid in porous media. The influences of the rheological characteristics of the power-law type non-Newtonian fluids and structural parameters of porous media on the friction coefficient and Nusselt number of the power-law type non-Newtonian fluids in porous media would be further investigated. The experiment corresponding to the theoretical studies should be carried out in order to validate and verify the theoretical model. Buliding regular arrays of porous media and using fluid-solid coupling method could overcome the limitations of the volume-averaging theory and local thermal equilibrium model which could not fully reflect the porous structure itself impacting on the flow and heat transfer in porous media. The proposed project would subject to reveal the influence mechanism of the non-Newtonian rheology and porous structural parameters on the flow and heat transfer of the power-law type non-Newtonian fluid in porous media.

非牛顿流体在多孔介质的流动与传热是自然界和工农业生产常遇到的物理过程。本课题拟选用聚丙烯酰胺水溶液作为幂律型非牛顿流体，构建以金属铜球为骨架的规则排列的多孔介质通道，建立幂律型非牛顿流体在多孔介质中的流动与传热数学模型，采用流固耦合方法对模型进行数值求解，获得幂律型非牛顿流体在多孔介质流动与传热过程的速度、温度、剪切速率和剪切应力等参数，进而研究幂律型非牛顿流变特性和多孔介质结构参数对幂律型非牛顿流体在多孔介质中的摩擦系数和努谢尔数的影响规律。开展与理论研究相对应的实验研究，验证和修正理论模型。构建规则多孔介质阵列和采用流-固耦合方法，能够克服多孔介质体积平均理论及局部热平衡模型不能够充分反映多孔结构本身对流动与传热影响的局限性，课题旨在揭示非牛顿流变特性以及多孔介质结构参数对幂律型非牛顿流体在多孔介质中的传热传质影响机理。

非牛顿流体在多孔介质的流动与传热是自然界和工农业生产常遇到的物理过程。本课题选用聚丙烯酰胺（PAM）水溶液作为幂律型非牛顿流体（幂律流体），构建以金属铜球为骨架的规则排列多孔介质通道，建立幂律流体在多孔介质中的流动与传热数学模型，采用流固耦合方法对模型进行数值求解，获得了幂律流体在多孔介质流动与传热过程的速度、温度、剪切速率和剪切应力等参数，研究了幂律流体流变特性和多孔介质结构参数对幂律流体在多孔介质中的摩擦系数和努谢尔数的影响规律。.数值研究颗粒三维有序排列多孔介质的对流换热问题，分析局部对流换热系数hw及铜球和流体间的对流换热系数hsf的影响因素。结果表明: hw随PAM溶液浓度的增大而减小,黏性耗散减弱了对流换热；hsf变化很小；速度增加、颗粒直径d减小、幂律指数n增大都会导致hsf增大；多孔介质的排列方式越紧凑，n越大，d越小，固体导热系数越大，多孔介质换热能力越强；给出了适用于幂律流体的努谢尔数的关联式。基于经典Carman-Kozeny-Blake模型及孔喉通道模型，提出一个新的幂律流体在颗粒堆积多孔介质内流动阻力预测模型，给出了幂律流体的临界雷诺数、修正渗透率及惯性系数的关联式。 . 开展与理论研究相对应的实验研究，验证和修正理论模型。在恒热流条件下，实验分析不同的流速、n和温度下的PAM溶液对多孔介质流动换热规律的影响。结果表明： PAM溶液的压降和雷诺数的关系随修正的阻力预测模型变化，随着n和温度的升高，压降逐渐降低；hw随n和雷诺数的增大而增大；分析了不同雷诺数下的综合换热效率，为多孔介质的流动换热能力的有效评估提供了基础性实验数据。. 构建规则多孔介质阵列和采用流-固耦合方法，克服了多孔介质体积平均理论及局部热平衡模型不能够充分反映多孔结构本身对流动与传热影响的局限性，课题在一定程度上揭示了非牛顿流体流变特性和多孔介质结构参数对幂律流体在规则排列多孔介质中的流动和传热影响机理。