多孔介质的对流换热系数的确定方法技术

本公开提供一种多孔介质的对流换热系数的确定方法，涉及多孔介质技术领域。该方法包括：基于过程重构技术生成随机三维多孔介质并获取其中组成多孔骨架的支撑体的等效直径；基于格子玻尔兹曼模型中流体粒子的迁移和碰撞关系建立温度场和速度场的格子玻尔兹曼分布函数并计算流体的宏观变量；根据支撑体的等效直径和流体的宏观变量计算流体的雷诺数；基于格子玻尔兹曼模型的边界条件获取边界分布函数并判断是否满足收敛条件，以在满足收敛条件时结束计算；基于最终的温度场分布对随机三维多孔介质的孔隙率、雷诺数、普朗特数进行拟合，以得到随机三维多孔介质的对流换热系数的经验关系式。本公开中对流换热系数的计算方法简单且具有良好的通用性。

Determination of convective heat transfer coefficient in porous media

The disclosure provides a method for determining the convective heat transfer coefficient of a porous medium, which relates to the porous medium technology field. The method includes: Based on the process reconstruction technique, the equivalent diameter of the support body which is composed of a porous framework is generated and the porous structure is formed. Based on the migration and collision relation of the fluid particles in the lattice Boltzmann model, the lattice Boltzmann distribution function of the temperature field and velocity field is established and the macroscopic variable of the fluid is calculated. The Reynolds number of the fluid is calculated according to the equivalent diameter of the support and the macroscopic variable of the fluid; the boundary distribution function is obtained based on the boundary condition of the lattice Boltzmann model and whether the convergence condition is satisfied to end the calculation when the convergence condition is satisfied; the porosity of the random three-dimensional porous medium is distributed on the basis of the final temperature field distribution. Fitting the Reynolds number and Prandtl number to obtain the empirical formula of the convective heat transfer coefficient in a three-dimensional porous medium. The calculation method of convective heat transfer coefficient in this disclosure is simple and has good versatility.

【技术实现步骤摘要】
多孔介质的对流换热系数的确定方法
本公开涉及多孔介质
，尤其涉及一种多孔介质的对流换热系数的确定方法。
技术介绍
多孔介质中的能量传递是自然界中的一种常见现象，其遍及于工业生产的各个领域，例如石油开采，食品、药材和农产品的对流干燥，各种工业换热设备中多孔材料里的蒸发，地热资源的开发与利用，以及农业系统中植物对能量、水分和养分的供求关系等。鉴于多孔介质在科学、工程、以及应用方面的重大意义，在计算机条件不断改善的前提下，多孔介质的相关研究已经成为了科学界和工程界的研究热点。多孔介质的换热过程广泛存在于多个学科，例如填充床反应器、催化剂颗粒床、热交换器、建筑节能、生物质热解、以及及石油开采等。其中，对流换热系数是描述多孔介质内流体换热能力的关键指标，对换热系数的准确测量和预测是多孔介质研究中的重要内容。不同类型的多孔介质通常具有不同的内部微观结构，从而导致了不同多孔介质的对流换热系数关联式之间存在很大差异，甚至存在一些矛盾的结论。例如Nakayama等人认为换热系数随孔隙率增大而增大；Whitaker、Kreith、Pallares和Gamrat等人认为换热系数随孔隙增大而减小；Jiang等人认为换热系数与孔隙率的关系为关于孔隙率ε＝0.304对称、开口向上的抛物线。此外，目前已知的各类多孔介质的对流换热系数关联式，其适用范围大多受到材料、孔隙结构等因素的限制，因此缺乏通用性。需要说明的是，在上述
技术介绍
部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
技术实现思路
本公开的目的在于提供一种多孔介质的对流换热系数的确定方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。本公开的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本公开的实践而习得。根据本公开的一个方面，提供一种多孔介质的对流换热系数的确定方法，包括：基于过程重构技术生成随机三维多孔介质并获取所述随机三维多孔介质中组成多孔骨架的支撑体的等效直径；基于格子玻尔兹曼模型中流体粒子的迁移和碰撞关系分别建立温度场格子玻尔兹曼分布函数和速度场格子玻尔兹曼分布函数并计算流体的宏观变量；根据所述支撑体的等效直径以及所述流体的宏观变量计算所述流体的雷诺数；基于所述格子玻尔兹曼模型的边界条件获取边界分布函数并判断所述边界分布函数是否满足收敛条件，以在满足所述收敛条件时结束计算；基于最终得到的温度场分布对所述随机三维多孔介质的孔隙率、所述雷诺数、以及普朗特数进行拟合，以得到所述随机三维多孔介质的对流换热系数的经验关系式。本公开的一种示例性实施例中，所述基于过程重构技术生成随机三维多孔介质包括：基于过程重构技术生成所述随机三维多孔介质，所述随机三维多孔介质中组成所述多孔骨架的支撑体的形状包括圆柱体、球体、椭球体、长方体、以及正方体中的任一种。本公开的一种示例性实施例中，所述获取所述随机三维多孔介质中组成多孔骨架的支撑体的等效直径包括：根据所述随机三维多孔介质中组成所述多孔骨架的支撑体的数量和尺寸计算所述支撑体的等效直径。本公开的一种示例性实施例中，所述支撑体的等效直径的计算公式为：其中，Den为支撑体的等效直径，D为支撑体的尺寸，n为支撑体的数量，h(D)为尺寸D的密度分布函数。本公开的一种示例性实施例中，所述基于格子玻尔兹曼模型中流体粒子的迁移和碰撞关系分别建立温度场格子玻尔兹曼分布函数和速度场格子玻尔兹曼分布函数包括：针对所述流体粒子的密度分布函数和平衡态密度分布函数，所述流体粒子的温度分布函数和平衡态温度分布函数，以及所述流体的宏观变量进行初始化设置，所述宏观变量包括密度、温度和速度；根据所述流体粒子的迁移和碰撞关系建立速度场格子玻尔兹曼分布函数，其形式如下：fα(x+eαδt,t+δt)-fα(x,t)＝-Ω(fα(x,t)-fαeq(x,t))；根据所述流体粒子的迁移和碰撞关系建立温度场格子玻尔兹曼分布函数，其形式如下：gα(x+eαδt,t+δt)-gα(x,t)＝-Q(gα(x,t)-gαeq(x,t))；其中，x为流体粒子的位置，eα为流体粒子的运动方向，t为时间，δt为时间步长，fα为密度分布函数，fαeq为平衡态密度分布函数，Ω为密度碰撞函数，gα为温度分布函数，gα为平衡态温度分布函数，Q为温度碰撞函数。本公开的一种示例性实施例中，所述计算流体的宏观变量包括：根据所述密度分布函数、所述温度分布函数、以及所述流体粒子的运动方向计算所述流体的宏观变量；其中，所述流体的宏观变量的计算公式为：其中，ρ为密度，T为温度，u为速度。本公开的一种示例性实施例中，所述根据所述支撑体的等效直径以及所述流体粒子的宏观变量计算所述流体的雷诺数包括：根据所述支撑体的等效直径以及所述流体的速度和粘度计算所述流体的雷诺数。本公开的一种示例性实施例中，所述流体的雷诺数的计算公式为：Re＝UDen/ν；其中，Re为流体的雷诺数，U为流体的速度，Den为支撑体的等效直径，ν为流体动力粘度。本公开的一种示例性实施例中，所述对流换热系数的经验关系式为：Nu＝0.057×(1-ε)-0.644·Re0.786·Pr1/3；其中，Nu为对流换热系数，ε为孔隙率且ε＝0.637～0.929，Re为雷诺数且Re＝0.01～30，Pr为普朗特数。本公开的一种示例性实施例中，所述确定方法还包括：在所述边界分布函数不满足所述收敛条件时，重新获取所述流体的宏观变量、所述流体的雷诺数、以及所述边界分布函数，直至所述边界分布函数满足所述收敛条件。本公开示例性实施方式所提供的多孔介质的对流换热系数的确定方法，以随机生成的三维多孔介质为研究对象，通过格子玻尔兹曼模型(LatticeBoltzmannModel，LBM)对该三维多孔介质与流体之间的对流换热特性进行分析，以得到随机三维多孔介质的对流换热系数关联式。一方面，通过LBM分析所得到的对流换热系数的计算方法简单有效且精度较高；另一方面，由于该三维多孔介质中的多孔结构和粒径分布具有随机性，本示例在分析其对流换热特性时充分考虑了组成该三维多孔介质的颗粒随机性以及孔隙率对其对流换热过程的影响，因此具有良好的通用性。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。附图说明此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1示意性示出本公开示例性实施例中多孔介质的对流换热系数的确定方法流程图；图2示意性示出本公开示例性实施例中随机三维多孔介质的生成方法流程图；图3示意性示出根据图2中随机三维多孔介质的生成方法所生成的随机三维多孔介质的结构示意图；图4示意性示出本公开示例性实施例中三维多孔介质的实验样品示意图；图5示意性示出本公开示例性实施例中多孔介质非稳态实验的实验系统示意图；图6示意性示出本公开示例性实施例中基于经验关系式、非稳态实验、以及Nagatak实验所得到的对流换热系数对比图。具体实施方式现在将参考附图更全本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多孔介质的对流换热系数的确定方法，其特征在于，包括：基于过程重构技术生成随机三维多孔介质并获取所述随机三维多孔介质中组成多孔骨架的支撑体的等效直径；基于格子玻尔兹曼模型中流体粒子的迁移和碰撞关系分别建立温度场格子玻尔兹曼分布函数和速度场格子玻尔兹曼分布函数并计算流体的宏观变量；根据所述支撑体的等效直径以及所述流体的宏观变量计算所述流体的雷诺数；基于所述格子玻尔兹曼模型的边界条件获取边界分布函数并判断所述边界分布函数是否满足收敛条件，以在满足所述收敛条件时结束计算；基于最终得到的温度场分布对所述随机三维多孔介质的孔隙率、所述雷诺数、以及普朗特数进行拟合，以得到所述随机三维多孔介质的对流换热系数的经验关系式。

【技术特征摘要】
1.一种多孔介质的对流换热系数的确定方法，其特征在于，包括：基于过程重构技术生成随机三维多孔介质并获取所述随机三维多孔介质中组成多孔骨架的支撑体的等效直径；基于格子玻尔兹曼模型中流体粒子的迁移和碰撞关系分别建立温度场格子玻尔兹曼分布函数和速度场格子玻尔兹曼分布函数并计算流体的宏观变量；根据所述支撑体的等效直径以及所述流体的宏观变量计算所述流体的雷诺数；基于所述格子玻尔兹曼模型的边界条件获取边界分布函数并判断所述边界分布函数是否满足收敛条件，以在满足所述收敛条件时结束计算；基于最终得到的温度场分布对所述随机三维多孔介质的孔隙率、所述雷诺数、以及普朗特数进行拟合，以得到所述随机三维多孔介质的对流换热系数的经验关系式。2.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述基于过程重构技术生成随机三维多孔介质包括：基于过程重构技术生成所述随机三维多孔介质，所述随机三维多孔介质中组成所述多孔骨架的支撑体的形状包括圆柱体、球体、椭球体、长方体、以及正方体中的任一种。3.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述获取所述随机三维多孔介质中组成多孔骨架的支撑体的等效直径包括：根据所述随机三维多孔介质中组成所述多孔骨架的支撑体的数量和尺寸计算所述支撑体的等效直径。4.根据权利要求3所述的确定方法，其特征在于，所述支撑体的等效直径的计算公式为：其中，Den为支撑体的等效直径，D为支撑体的尺寸，n为支撑体的数量，h(D)为尺寸D的密度分布函数。5.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述基于格子玻尔兹曼模型中流体粒子的迁移和碰撞关系分别建立温度场格子玻尔兹曼分布函数和速度场格子玻尔兹曼分布函数包括：针对所述流体粒子的密度分布函数和平衡态密度分布函数，所述流体粒子的温度分布函数和平衡态温度分布函数，以及所述流体的宏观变量进行初始化设置，所述宏观变量包括密度、温度和速度；根据所述流体粒子的迁移和碰撞关系建立速度场格子玻尔兹曼分布函数，其形式如下：

【专利技术属性】
技术研发人员：杨培培，姚心，孙铭阳，李文，
申请(专利权)人：中国恩菲工程技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11