[发明专利]多孔介质的对流换热系数的确定方法

说明书

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。

技术领域

本公开涉及多孔介质技术领域，尤其涉及一种多孔介质的对流换热系数的确定方法。

背景技术

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，在上述背景技术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。

发明内容

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。