三维颗粒有序堆积湍流换热本构方程构建及其传热特性

颗粒堆积多孔介质内的湍流换热在核能、石化、污水处理等领域广泛存在，且多为无序堆积。研究表明，颗粒堆积多孔介质内的湍流换热受其孔隙结构影响显著，基于有序堆积多孔介质内的宏观流动与综合换热性能较无序堆积多孔介质均有显著提高。但目前基于颗粒有序堆积多孔介质内的湍流换热研究仍相对较少，尚未获得其宏观湍流换热的统一关联式和本构方程。本项目拟采用LBM方法对三维颗粒有序堆积多孔介质内湍流换热的微观特性展开深入研究，重点分析孔隙内流体的边界层特性与局部湍流换热规律（如：三维流动曲迂和湍流热弥散效应等），通过遗传规划与时/空平均方法建立相应多孔介质宏观湍流换热的统一关联式和本构方程，同时开展宏/微观实验对理论研究进行验证和完善。研究结果不仅可以从机理上对颗粒有序堆积多孔介质内的湍流输运过程进行阐释，而且对构建颗粒堆积多孔介质湍流换热理论体系具有重要学术意义。

颗粒堆积多孔介质内的流动换热具有广泛应用背景，如：地下水污染物扩散、石油/天然气开采、球床反应堆堆芯设计、催化床反应器性能优化等，了解并掌握颗粒堆积体系内的流动传热规律是保证能源高效利用及相应设备安全运行的前提之一。研究表明，颗粒堆积多孔介质内的流动换热受其孔隙结构影响显著，基于有序堆积多孔介质内的流动传热规律与无序堆积多孔介质存在较大差异。本项目主要对颗粒有序堆积多孔介质内的宏/微观流动传热特性、多孔介质湍流本构方程构建及多孔介质内的流态转捩规律展开深入研究。实验和数值研究了颗粒有序堆积多孔介质内的湍流换热特性，揭示了颗粒有序堆积复杂孔隙内的局部湍流换热规律，并成功修正了颗粒有序堆积多孔介质的Ergun公式和Wakao公式，结果表明颗粒有序堆积多孔介质宏观对流换热关联式其形式与传统经验公式一致，但部分模型参数值明显低于传统经验公式；采用间隙模型、柱接触模型、面接触模型及球冠切除模型取代点接触模型，对有序堆积颗粒接触点附近区域计算网格进行了改进，并探讨了不同颗粒接触模式对多孔介质内流动传热计算结果的影响规律，综合堆积床宏观及局部流动换热特性，建议采用圆柱接触模型替代点接触模型进行计算；采用三维颗粒取代传统二维棒束，对有序列阵多孔介质孔隙单元内的局部时均湍流特性进行研究，并基于时间/体积平均方法对多孔介质宏观湍流方程（N-K模型）进行了改进。结果表明颗粒有序列阵多孔介质内由颗粒骨架引起的宏观湍动能及耗散率附加净产生项的值较传统棒束模型显著降低，其计算式形式与传统N-K模型一致，但部分模型参数值明显偏低；另外，基于电化学方法测量颗粒有序堆积多孔介质孔隙内流体的局部脉动，直观揭示了颗粒堆积多孔介质内流体的湍流发展过程，并界定其宏观湍流转捩区，其中SC堆积结构的流动转捩发生较迟而FCC堆积结构的流动转捩发生较早。本项目研究结果对深入认识颗粒有序堆积多孔介质内的流动换热规律、构建相应多孔介质湍流换热理论体系具有重要学术价值，既增进了人们对多孔介质内流体复杂脉动发展过程的理解，同时也为人们准确判定颗粒有序堆积多孔介质内流体的宏观流态变化并在模拟过程中选用合理的计算模型提供了理论支持，对核能、化工等行业实现高效安全生产及节能减排具有重要意义。