多孔介质腔体内固液相变界面特性的LBM三维数值研究

固液相变技术在能源高效利用和有效热管理等方面具有广泛的应用价值。在建筑维护结构中加入相变材料层增加了建筑维护结构的热惰性、精密元器件中加入定形相变材料可有效提高元器件的散热能力。深入研究相变过程的演化规律和糊状区的迁移变化的规律,对于指导实际生产过程具有重要的影响;探讨骨架特性对于低温固液相变材料的影响规律,为相变技术的实际的应用提供理论依据。本文根据固液相变过程的演化和迁移规律,采用多孔介质渗流理论和多相流理论分析固液交界面的特性变化,建立了相变材料糊状区传热传质的复合模型-两区域模型,即在糊状区的低含液率区表现出多孔介质内渗流的特点的区域采用扩展达西模型模拟,在糊状区的高含液率区表现出固相颗粒在液态相变材料中悬浮流动采用固液两相流的模型进行模拟。采用格子玻尔兹曼(LBM)中的双分布函数(DDF)模型对固液相变过程进行了模拟。在温度分布函数和速度分布函数的LBM模型中采用D2Q9(二维工况)格子离散速度模型,而三维工况的模拟采用D3Q19的速度离散模型;再通过建立固体区域的温度平衡分布函数和弛豫因子的大小来实现模型的流固耦合问题,在流动方程(N-S方程)中添加浮升力项再实现流动和温度的耦合。基于固液相变的两区域模型,从孔隙尺度角度研究了低温相变材料在封闭腔体内相变传热传质的过程。1)对两区域模型中的高低含液率的分界线r_(tr)进行了分析,r_(tr)(28)7.0时能很好的对两区域模型的高低含液率区进行划分;2)Prandtl数的增加,使得三维方腔内相变过程的扩散作用更加明显,加快了相变的初期的融化速度,但降低了准稳态阶段相变的融化率;3)Rayleigh数的变化改变了方腔内的自然对流换热的强度,且糊状区的厚度随着Rayleigh数增大,糊状区上窄下宽的形态越显著;4)随着Stefan数的增加,三维方腔内显热换热效果越明显,形成许多大小不一的涡流,抑制了换热的进行,糊状区厚度越来越厚。通过四参数生成随机生长法(QSGS)生成孔隙率分别为0.7、0.8和0.9的真实多孔介质模型,分别从二维和三维尺度研究方腔内填充不同孔隙率(?=0.7、?=0.8和?=0.9)和不同导热系数(?=5、?=10、?=20)的多孔结构内的相变材料的流动和传热的变化规律。1)通过四参数法生成随机骨架,其随机特性使得糊状区的厚度显著增加,其与骨架连接处的渗流特征明显;2)骨架的孔隙率影响相变的传热与流动,骨架的密度越大,在三维方腔内的就会形成越多的大小不一的流涡,抑制相变的进程;3)骨架的导热系数比的增加,在相变初期起到明显的促进相变的融化速率,并且使三维方腔内的局部小流涡逐渐合并成打的流涡,加快相变过程的进行。