基于格子Boltzmann方法的致密多孔介质内的相变传热与流动机理研究

The issue of phase-change heat transfer and flow in tight porous media widely exists in the energy, environment, industrial and engineering application. The study of its internal physical mechanism has the guide meaning for the development of the porous insulation and heat pipe, oil and gas production. However, the problem overs large temporal and spatial scale, the interaction of the internal particle is complex, and contains complex physics and chemistry processes of flow, heat transfer, mass transfer，and interface dynamic. These features limit the traditional methods in studying its microscopic mechanism， while the lattice Boltzmann (LB) method that based on mesoscopic kinetic can overcome these bottlenecks. In view of this, LB method will be developed to study the phase-change heat transfer and flow in tight porous media, with high-performance computing technology. The research topics include: building two-phase LB model that includes micro-scale effect and couples with heat and mass transfer, designing wetting boundary condition that can accurately describe the interaction of the fluid and the solid and the inlet and outlet boundary condition that can apply to bifurcate channel, analyzing the impact of pore structure, density ratio, wettability, solid temperature on the flow characteristics and heat transfer performance, and exploring the ways and means in strengthening heat transfer..

致密多孔介质内的相变传热与流动问题广泛存在于能源、环境工业及工程应用中，研究其内部物理机理对多孔隔热材料的开发、热管中的流动现象、油气开采等有重要指导意义。由于该问题跨越多个时空尺度，内部粒子相互作用复杂，以及包含流动、传热、传质、界面动力学物理化学过程，传统的数值方法在研究这类问题的微观机理时受到很大限制。而基于介观动理论的格子Boltzmann（LB）方法处理以上瓶颈有独特的优势。鉴于此，本项目将采用LB方法，并借助高性能计算技术，对致密多孔介质内的相变传热与流动微观机理进行研究，主要包括：发展考虑微尺度效应的耦合热质传输的气液两相流LB模型；构建准确刻画流体与壁面相互作用的润湿性边界条件及适用于多分叉结构的进出口边界条件；分析孔隙结构、密度比、润湿性、壁面温度等对多孔介质内气液流动特点和传热性能的影响，探索强化换热的方法与手段。

致密多孔介质内的相变传热与流动问题跨越多个时空尺度，内部粒子相互作用复杂，以及包含流动、传热、传质、界面动力学等多场耦合，极大限制了人们对其内部规律和机理的认识。本项目提出采用近年来迅速发展的两相流格子Boltzmann方法对致密多孔介质内的相变传热与流动问题的微观机理进行研究。本项目基本按计划执行（1）首先建立了可以准确捕获界面分布的两相流格子Boltzmann模型以及高效稳定的基于phase-field理论的三维两相流模型。由于气液两相相变传热与流动问题涉及流动、传热、传质、相界面运动、凝并以及破碎等多个物理机制，宏观动力学行为复杂。格子Boltzmann方法尽管在气液两相流动的研究方面取得了很大成功，现有的格子Boltzmann模型还存在所捕捉的密度界面与物理界面有很大的偏差以及对三维问题计算量较大等缺点。针对格子Boltzmann模型的这些不足，首先通过求解平界面的两相流系统的格子Boltzmann方程的理论解，找到了已有模型存在误差的本质原因，并提出一个可以准确捕获密度分布的两相流模型。其次，通过理论分析，将界面分布函数采用七速，Navier-Stokes方程采用15速，建立了高效稳定的三维两相流模型（2）本项目构建了一类润湿性边界条件。致密多孔介质主要由微米甚至纳米量级的孔组成，孔隙及其微小，比表面积较大，从而其表面作用，如黏性力和表面张力的影响显著，最终导致流体与固壁之间的相互作用显著。在LB方法中，流体和壁面之间的相互作用强度通过润湿性边界条件刻画。本项目构建了一类润湿性边界条件，克服了壁面上的虚假密度，并且可以得到更广泛的平衡态接触角。（3）基于前面提出的模型和边界条件对致密多孔介质内的相变传热与流动问题进行数值模拟与分析，主要包括：研究了含粗糙壁面的单个微通道以及多孔介质内不混溶驱替动力学行为；研究了气泡在复杂多孔介质内气泡的一系列动力学行为。此外，本项目还用实验方法研究了吸液芯对铜-水回路热管的启动速率、壁面温度以及蒸发器内气相两相分布的影响。