考虑交叉耦合扩散效应时多物理场自然对流传热传质的研究

《考虑交叉耦合扩散效应时多物理场自然对流传热传质的研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《考虑交叉耦合扩散效应时多物理场自然对流传热传质的研究（48页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、考虑交叉耦合扩散效应时多物理场自然对流传热传质的研究 山东大学博士学位论文考虑交叉耦合扩散效应时多物理场自然对流传热传质研究姓名:耿文广申请学位级别:博士专业:热能工程指导教师:陈宝明20210415摘要摘要研究室内复杂物理场中的热量及物质扩散引起的复合自然对流问题有助于了解室内温度、湿度以及气体污染物浓度的分布特性,对进一步改善室内空气品质至关重要。多物理场中的复合自然对流涉及到环境、机械、化工、海洋和气象等诸多领域,其流体动力学特性和传热传质规律一直是人们研究的重点。本文以室内空气品质为研究背景,采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法,考察了室内温度、湿度水蒸气浓度和气体污染物浓度的

2、分布特征,探讨了多物理场中自然对流传热传质的根本规律。在热质耦合传递的多物理场中,热力学流与热力学力之间是交叉影响的,即温度梯度的存在对传质具有一定的影响,称之为热附加扩散效应,同时浓度梯度对传热也有影响,即扩散附加热效应。本文以不可逆过程热力学为理论依据,考虑交叉耦合扩散效应的影响,研究在一个封闭系统中同时具有温度梯度、污染物浓度梯度和水蒸气浓度梯度的对流扩散问题,建立了三个梯度共存时层流和湍流自然对流传热传质的数学模型,为了便于更深层次地研究多物理场中的传热传质规律,分析过程中将数学模型进行无量纲化,整理得到影响多物理场中流动和传热传质的无量纲控制参数,通过大量的数值分析探讨了无量纲控制参

3、数对传热传质的影响特性。数值研究结果说明,与单纯的热浮升力自然对流不同,多物理场中传热传质复合自然对流的强弱由热瑞利数和综合浮力比数共同决定。随着数的增加,流动和传热传质均得到明显的增强。浮力比数的变化可能会增强流动也可能会削弱流动甚至使流动方向发生变化,取决于浓度梯度与温度梯度方向的关系。在本文边界条件下,当综合浮力比数时浓度浮升力与热浮升力的作用正好抵消,系统内没有宏观流动;刘易斯数对传质的影响较为显著,随着刘易斯数的增加,其对应组分的传质速率明显增大;多物理场中交叉耦合扩散效应对传热和传质也有一定的影响,本文针对复合自然对流中交叉耦合扩散效应的影响,提出了修正的传热努谢尔特数和传质舍伍德

4、数的表达式。当温度梯度的方向和浓度梯度的方向相反时,假设交叉扩散效应准那么数取正值,那么传热和传质是相互削弱的,反之,那么传热和传质是相互加强的。交叉扩散效应准那么数的数值大小与组分的活度有关,需通过实验研究确定。本文在理论分析和数值模拟的根底上,以浓度为.%异丁烷作为气体污染物的山东大学博士学位论文替代气体进行了交叉耦合扩散效应的实验研究。左右两个密闭容器内充满异丁烷并以微细管道连通,以冷热水浴分别保持两个容器恒定的温度,温度差的存在引起热附加扩散效应促使异丁烷溶质迁移,稳定后测得高温密闭容器内的异丁烷浓度低于低温密闭容器中的异丁烷浓度,该实验说明传质舍伍德数不仅与浓度梯度有关,还受到温度梯

5、度的影响,即热附加扩散效应对传质有一定影响。在此根底上进一步搭建了多组分对流扩散实验台,选用.%的丙烷作为污染物的替代气体,在实验测试小室水平方向施加温度梯度、丙烷浓度梯度和水蒸气浓度梯度,测得小室内的温度、湿度和气体污染物浓度的分布,获得了多物理场自然对流传热传质规律,与数值模拟结果比拟发现二者吻合较好。多物理场中的传热传质影响因素众多,规律较为复杂,传热与传质相互影响且存在强烈的非线性耦合作用,本文重点研究了各个因素的影响特性,得到了多物理场中各控制参数对传热传质的影响规律,为研究多物理场中的热质传递奠定了理论根底。关键词:多物理场,复合自然对流,交叉耦合扩散效应,多组分对流扩散,计算流体

6、动力学; . .一一一一一皇曼量喜曼鲁曼量曼量,. ? . ,. .? , ,., . . ., , ., , .山东大学博士学位论文喜量量量曼曼量曼量曼曼曼量曼曼曼曼皇曼曼曼量皇曼曼曼曼曼皇皇曼曼 曼曼曼曼曼曼曼曼皇量曼量曼曼曼曼曼曼曼皇曼量量曼量量曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼. .,.,.,?,. .,. . .?, ., . , . .,:?符号表符号表?无量纲压力?药染物的浓度一砌一污染物的无量纲浓度一热瑞利数?质扩散率.跏一温度梯度对水蒸气组分的热扩散效应三?.污染物的质扩散率.准那么数%一水蒸气的质扩散率. 一温度梯度对污染物组分的热扩散效应准那么数一污染物浓度梯度引起的扩

7、散热效应准那么数戤哪方向的速度分量?一水蒸气浓度梯度引起的扩散热效应准以一方向的无量纲速度分量那么数而?平均传热努谢尔特数数一重力加速度.否瓦 ?朽染物的平均传质舍伍德数一水蒸气浓度梯度引起的质附加扩散效瓦 一水蒸气的平均传质舍伍德数应准那么数希腊字母?熟膨胀系数一污染物浓度梯度引起的质附加扩散效所应准那么数日一污染物组分的浓度膨胀系数.乃一水蒸气的浓度. 岛一水蒸气组分的浓度膨胀系数.日尸一无量纲水蒸气浓度一普朗特数一水蒸气浓度梯度引起的污染物的质扩血一左右两侧壁面污染物组分的浓度差散系数。一 ?一一污染物浓度梯度引起的水蒸气的质扩一左右两侧壁面水蒸气组分的浓度差散系数?旷?.切一温度梯度引

8、起的污染物的质扩散系数一左右两侧壁面的温差蚝?.一七胛一温度梯度引起的水蒸气的质扩散系数?.无量纲温度?一?一 口一动力粘滞系数.一水蒸气浓度梯度引起的热扩散系数 ?热扩散比?.一污染物浓度梯度引起的热扩散系数, ?.运动粘滞系数.一一湍动能.上?密闭腔体的尺寸 一耗散率.一刘易斯数山东大学博士学位论文下标一刘易斯数热扩散率与污染物的质扩散率之比?气体污染物一刘易斯数热扩散率与水蒸气的质扩 一水蒸气散率之比一物理量中的较大值?综合浮力比,一物理量中的较小值一浮力比污染物浓度梯度引起的浮升?参考值力与温度梯度引起的浮升力之比畅一浮力比水蒸气浓度梯度引起的浮升力与温度梯度引起的浮升力之比原创性声明

9、本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要奉献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承当。论文作者签名:关于学位论文使用授权的声明本人完全了解山东大学有关保存、使用学位论文的规定,同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅;本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或局部内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。保密论文在解密后应遵守此规定论文作者签窟

10、雄鱼导师签名:型堇月期:?第章绪论. 曼曼量量量量皇曼曼曼曼皇曼鼍曼曼璺曼曼鼍量皇量曼曼曼曼皇曼曼量曼皇皇曼皇曼葛。第章绪论.研究背景室内环境是现代人重要的生活和工作环境之一,现代人%以上的时间是在室内度过的【,室内空气品质,简称与人类健康有着密切的关系。良好的室内空气品质能够使人感觉神清气爽、精力充分、心情愉悦。然而近二十多年来,许多国家的室内空气品质却不容乐观,很多人抱怨室内空气品质低劣。室内环境包括空气环境、热环境、湿环境、光环境、声环境等诸多要烈】。美国环保署.和世界卫生组织调查说明【,室内空气污染是有关国民健康的首要环境问题之一。世纪末期能源危机后,人们对建筑物的能耗倍加关注,建筑物

11、普遍采取了增强密闭性并尽可能减小新风量的节能措施【,同时由于有机合成材料在室内装饰装修以及设备用具等方面的广泛应用,致使室内气体污染物浓度水平偏高,尤其是挥发性有机化合物蟛 ,简称的大量散发,严重恶化了室内空气品质,引起头痛、困倦、恶心和流鼻涕等病态建筑综合症,简称。室内气体污染物主要来自装修或装饰材料,污染物首先从建材内部扩散到建材外外表,由于建材的外外表与空气接触局部污染物浓度远大于空气中的浓度,当气体污染物分子的分压力大于分子间的范德华力和静电力后,便由界面处散发到室内环境中。如何控制室内气体污染物的浓度水平是亟待解决的一个问题,根据污染物的特性、散发规律及散发的影响因素,可从以下几个方

12、面入手来控制装饰材料中的污染物:.减少污染源;.加强通风换气;.陈化,让气体污染物散发;.烘干,即在未入住的房间内维持一段时间较高的温度,并进行正常的通风换气;.利用活性炭吸附等空气净化技术消除;.半导体光催化法消除。然而由于节能的需要,现代建筑物的气密性越来越好,这就使得加大通风量改善室内空气质量的途径无法实现。现代建筑物的气密性越来越好,尤其在冬夏季节居室近似一个密闭空间,房间内存在局部的热源冷源、水蒸气和气体污染物的散发源,由此而产生的温度差、湿度差和污染物的浓度差必然会引起密度的不均匀性,从而导致室内空间的自然对山东大学博士学位论文流,假设新风量过小或者气流组织不佳,往往会导致人停留区

13、域热湿以及污染物浓度水平超标,给人们的工作、生活和身体健康带来严重的影响。治理室内的污染物,不仅要了解污染物在建材中的散发机理,还要确定它在室内的分布特征,尤其是工作和人驻留区污染物浓度的分布规律,是采取措施治理室内空气污染的一个依据。无论哪一种治理室内污染的手段都要求我们对污染物的产生、散发、分布与传递有更加全面深刻的认识。然而,污染物的产生、转化以及扩散受多种因素的影响,其中室内温度和湿度以及空气流场的影响最为显著?。当室内空气系统存在温度差、水蒸气浓度差时,由于温度、湿度和污染物浓度的不均匀性,有机污染物的扩散问题便是一个多梯度驱动多物理场耦合的多组分对流传热传质过程,其机理复杂,并有显

14、著的耦合效应。鉴于我国幅员辽阔,南北跨度较大,各地区温度和湿度有明显差异,所以在研究室内有机污染物散发及传播对室内空气质量的影响时,必须同时考虑温度和湿度对有机污染物散发的影响。反之,假设忽略温度湿度等因素,便不可能得到具有普适性的模型,无法正确描述有机污染物的散发和传播规律。因此有必要加强对污染物在室内各种材料和空气中散发、迁移与扩散机理的研究。.本文的研究意义影响室内空气品质的因素很多,其中以热、湿环境状况以及气体污染物的浓度水平尤为关键,已成为影响舒适程度乃至人类健康的三个重要指标。近年来,国内外许多专家学者致力于研究室内的温湿度分布并探讨最正确的气流组织,保障人停留区的温湿度水平,工作

15、区温度、湿度水平的控制已有较为成熟的理论【】;针对气体污染物的影响,国内外著名学者通过大量的实验和理论研究了气体污染物在建材中的散发机理,然而关于污染物散发之后在室内的对流扩散特征尚未得到充分的认识,尤其当室内空间中存在着温度差、湿度差水蒸气浓度差和污染物浓度差时,这种多物理场相互耦合作用下的气体污染物的对流扩散更具有复杂多样性。本质上讲,污染物在室内的对流扩散过程是多梯度耦合作用下的传热传质问题,多物理场中的传递过程必然伴随着交叉耦合扩散效应【】。诚然,相对于傅立叶导热和菲克扩散而言,交叉耦合扩散效应属于二级效应,然而近年来的相关研究说明,这种交叉耦合扩散效应在某些情况下不可忽略,而且有时起

16、着非常重要的作用【。第章绪论在我国住宅以及公用建设快速开展、室内装修蓬勃兴起的今天,建筑材料及装修工程对室内空气质量的影响已经成为人们关注的焦点,室内污染物的分布特征与其本身的对流扩散规律有关,因此控制工作区的污染物浓度水平,首先要掌握其在室内建材或装饰材料中的散发特性,然后研究对流扩散机理,最后准确地把握污染物在室内的分布规律,采取相应的措施,正确调整和控制人停留区的温湿度水平和污染物浓度水平,给人以舒适健康的生活工作环境。因此,如何控制工作区或者人集聚区的温湿度水平以及污染物的浓度水平便成了环境科研工作者的一个十分艰巨而迫切的任务。如前所述,建筑室内温度和湿度对污染物的对流扩散影响非常显著

17、,正确认识建筑室内温度梯度、湿度梯度和污染物浓度梯度同时存在时污染物的对流扩散规律,对掌握多物理场共存时自然对流传热传质机理和室内热湿及污染物传递的工程实际应用具有实际意义。尤其在中国,地域不同,温湿度差异很大,如果能从多物理场耦合机理出发,确定多物理场共存时的传递规律,为污染物的消除提供理论依据。本文基于不可逆过程热力学根本原理,采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法,考虑交叉耦合扩散效应的影响,研究了具有温度梯度、湿度梯度和污染物浓度梯度的多物理场中热湿以及污染物的分布特征,探析多物理场中的自然对流传热传质的根本规律,为改善室内空气品质提供理论依据。.室内污染物的散发及多物理场自然对

18、流传热传质的研究综述.污染物散发的研究进展室内空气品质低劣给人们带来的危害已经引起了国内外诸多学者的关注,从世纪年代初已经开始了相关的研究工作,关于污染物在建材中的散发以及如何消除室内有机污染气体已经取得了初步进展。局部学者尝试建立各种数学模型,研究室内污染物尤其是的吸附、散发及扩散机理。 , .【】开创性地提出干性材料中的散发模型,该模型涉及到几个关键性参数对散发的影响,其中包括材料中的初始浓度、材料.空气之间的别离系数和在材料中的扩散系数等。在此根底上,引入气相传质系数建立了新的数学模型,着重分析了传质阻力口题,同年,开展了一个新的理论模型,因为与材料中的山东大学博士学位论文浓度相比拟,空

19、气中浓度相对很小,该模型忽略了空气中浓度的影响;.用【 】模型模拟了地毯中的散发,并结合相应的实验数据计算分析了模型中的几个重要参数;】改良了传质模型,并对【】的一维数学模型采用理论分析的方法给出了解析解,分析认提为 在初始阶段高估了空气中污染物的浓度;出了一个综合性的室内空气品质模型,用以预测多层建筑材料中的散发率、吸收率、在既有散发源又有吸收源时的室内空气中浓度水平等,该模型与实验数据吻合良好; 进一步改良了散发模型,考虑了材料中的扩散和空气边界层对传质影响,得到了解析解;张寅平和许瑛】,对室内的产生、散发以及光催化方法作了较为详尽的研究,改良了传质模型中仅仅考虑单面散发的情况,建立了建材

20、中双面散发的物理模型,并得到解系数和扩散特征,该模型认为的扩散系数不仅和建筑材料的多孔性有关,还会受到孔径大小、分布以及孔的连接模式等因素的影响。与此同时,许多学者也开展了实验研究,分析建材中污染物的散发规律。】采用实验小室释放分析系统实验研究的散发特性,结果说明在温度较高时,其散发量对温度有较强的依赖性,且局部种类的散发量随着相对湿度的升高而增大;.捌也采用方法对的散发进行了实验分析,发现温度越高散发越快,并解释为高温状况下分子活泼;李念平等【】对长沙市局部建筑的调查研究说明,】等对温湿度对散发率的影响程度与种类有关;名古屋和乌普拉萨两地室内的甲醛和二氧化氮含量作了调查,通过比拟分析发现,名

21、古屋市的室内甲醛、二氧化氮以及氯化物的含量明显高于乌普拉萨,而且单就名古屋而言,现代混凝土建筑中的甲醛和二氧化氮含量明显比木结构房屋内的浓度高,分析认为是散发源多且通风不利造成的;贾树队等实验研究了相对湿度对室内空气中甲醛和氨浓度的影响,结果说明相对湿度越大,越有利于降低甲醛和氨的浓度;.【对干性建材中的散发量进行了测试,发现扩散系数是空气温度的线性函数;对湿气含量的变化和边缘密封对木质复合板中甲醛散发的影响进行了研究,第章绪论 鼍曼曼皇皇曼皇曼量皇研究发现甲醛的散发是含湿量的函数,当含湿量超过.%时,甲醛的散发量随着湿度的增加而增加;.】对欧洲和新加坡办公室内空气质量进行比较,发现新加坡地区

22、办公室内的含量较高,分析认为是新加坡地区相对湿度较大所致;.利用法对含有种的混凝土砌块进行了测试,得到了一维非稳态状况下混凝土砌块的传热传质方程的扩散和别离系数;梅宁【】结合多组分扩散理论针对湿度变化对气体污染物扩散的影响进行了研究,通过对气体污染物迁移、转化的根本方程进行修正,得到在无边界大气条件下一个稳定污染点源连续排放的扩散模型,并对方程进行了简化和求解:通过变湿度气态物扩散特性试验装置,对不同湿度条件下气体扩散性质进行了试验确定,得到了湿度变化条件下气体污染物扩散的一般规律,其研究的主要角度是空气湿度对气体污验研究了温度对干性建材中甲醛散发量的影响,结果说明质量扩散系数和别离系数受温度

23、影响最明显,并得到了一个别离系数的公式,该公式可以较好的预估材“料中的别离系数且与实验吻合较好。从室内有机污染物的研究现状可以发现,绝大多数文献针对有机污染物在建材中的散发规律进行了研究,由最初不考虑温度和湿度的影响到考虑单一的温度或湿度对其扩散系数以及别离系数的影响进行了分析,只有少数文章涉及到气体污染物在室内的分布特征以及影响对流扩散的因素。气体污染物在室内扩散的本质是在多个物理量的梯度耦合作用下的传热传质过程,即污染物的散发是其本身浓度梯度、温度梯度以及湿度梯度等多梯度多驱动力共同作用的结果,亦即多组分的对流扩散过程。气体污染物传质过程将受到温度梯度的影响,也将受到湿度梯度的影响。为了更

24、为系统地了解和掌握气体污染物在室内的分布特征,本文将这一实际问题抽象为传热传质的根本理论,研究多物理场热质传递的影响因素和影响规律,为解决实际工程问题提供理论依据。.考虑交叉耦合扩散时多物理场自然对流的研究进展多梯度耦合作用下的传递现象具有复杂多样性,因为在多个热力学力同时存在的情况下,各种力之间会引起干扰现象【,。与传统的传热传质理论不完全相同,例如在有温度梯度和浓度梯度同时存在时,除了通常由于温度梯度影响而发生山东大学博士学位论文的符合傅立叶定律 的热传导之外,还有因浓度梯度而引起的热流,即杜伏尔效应 或扩散附加热效应。当多组元流体中有温度梯度时,除了通常由于浓度梯度而引起的符合菲克定律

25、的质扩散之外,还有因温度梯度引起的物质流,也称之为索瑞特效应 或热附加扩散效应,在这种不平衡过程中因相互干扰而存在着交叉耦合扩散效应。交叉耦合扩散效应与傅立叶效应和菲克扩散效应相比拟,属于二级效应并且影响较小,然而这种二级效应往往在某些情况下不可忽略,尤其在某些特殊的领域有其独特的效用。因此对多梯度共存时传热传质现象的研究也成为近年来传热传质界的一个重要方向。年,通过实验发现了热扩散现象,这是关于热扩散最早的研,究,更完备的实验是由 年做的,所以此效应常以其命名【即索瑞特效应或热扩散效应;之后多物理场中交叉扩散效应对传热传质的影响便成为一个研究热点,.盯【】研究了从底部加热的三元系统水、异丙醇

26、和乙醇中的热扩散效应,在. 算例中,从底部加热水平液态薄层,考察其稳定性,.提出了一个线性稳态的分析方法,并与实验作了比拟,结果发现计算结果与实验并不完全一致,分析认为可能是忽略了热扩散效应所致。而当考虑热扩散效应的时候,开始发生对流的参数正好与临界参数相吻合;.研究了水晶中传递过程中由于温度梯度引起的热扩散效应,研究发现热扩散效应不可忽略;.】研究元流体中热扩散效应对自然对流传热传质的影响,腔体中二元流体具有一自由外表,底部给以恒定热流进行加热,上部冷却,竖直壁面均为绝热,模型中考虑了热扩散效应的影响,并通过数值求解得到对流扩散规律;.】实验研究了密实粘土中交叉耦合扩散效应,给定粘土温度梯度

27、和浓度梯度,二元混合物的温度梯度和浓度梯度方向相同或相反,实验测试得到了索瑞特系数,测试结果显示索瑞特系数与他们各自梯度的方向关系密切,热扩散效应增强了质量传递;.研究了二维方形多孔腔体中交叉梯度温度梯度和浓度梯度引起的索瑞特效应对双扩散多解性的影响,其中方形腔体的水平壁面不可渗透但有一竖直方向上的温度梯度,而竖直壁面是绝热的但保持一个水平方向的浓度梯度,分析每一种求解中热扩散效应对流态和传热传质的影响,研究发现,由于考虑热扩散效应方法和程度不一致,第苹绪论每一种求解均有较大的差异。前已述及,当体系中存在温度梯度和浓度梯度时,不仅仅存在热扩散效应,浓度梯度对传热也有一定的影响,即扩散热效应,近

28、些年来,许多学者针对扩散热效应也展开了深入的研究。.【】 采用数值求解技术研究了竖直平板上稳态层流边界层流动中热扩散和扩散热效应对混合对流和传质的影响,其中流体的黏性依赖于温度的变化,求解得到粘度、格拉晓夫数,、索瑞特系数毋、杜伏尔系数对氢气一空气的混合气体对流传热传质的影响,并强调在分析传热传质问题时,需要考虑流体的黏性变化、热扩散和扩散热效应;研肃多组分混合物沸腾时传质对传热系数的影响,建立了数学模型来描述多组分的传质理论,多组分混合物沸腾时数学模型与实验研究吻合较好;.研究了多种物质组成的混合介质中的传热传质现象,给出了介质的有效热物:性扩散系数和导热系数,数学模型中包含了热扩散效应和扩

29、散热效应,研究指出当给定了有效的温度梯度和浓度梯度时,可以计算出有效的传热和传质的量;陈宝明和张立强等刀研究了多孔介质中交叉耦合扩散效应的影响,研究发现热扩散效应主要对传质产生影响,对传热的影响不显著,同时扩散热效应也主要对传热产生一定的影响; 四基于非平衡热力学和唯象理论,分析了一个具有温度、浓度以及化学势的协同作用下的多物理场中的蒸馏反响过程,在研究空间中各矢量之间关系时考虑了热扩散效应和扩散热效应的影响,建立了传热和传质方程同时还给出了传热和传质系数,研究结果显示,受多物理场中交叉耦合扩散效应的影响,传热和传质速率有增快或减慢的趋势;.卅研究了一个水平薄层内二元流体自然对流现象,腔体的两

30、个壁面分别给定温度和溶质浓度,分别考虑二元流体的双扩散和热扩散效应引起的对流,用理论分析和数值模拟的方法求解了具有水平温度梯度和浓度梯度的薄层内的对流扩散状况,讨论了热瑞利数、浮力比、刘易斯数如和参数口口,双扩散自然对流;,考虑热扩散效应的自然对流等参数对自然对流强度的影响:.研究了黏性流体流过多孔介质时热扩散效应和扩散热效应对对流换热和传质的影响,结果说明考虑热扩散效应,对温度的影响不大,而对传质和浓度的影响较大;随着热扩散效应的增强,外表摩擦系数和传质舍伍德数鼢均增加,而传热努谢尔特数山东大学博士学位论文减小;【研究了热扩散效应和扩散热效应对二元纳米流体的对流不稳定性的影响,通过给定条件下

31、的瞬态分析发现,热扩散效应和扩散热效应对纳米流体装置中的对流运动有明显的影响,两种效应均使得纳米流体趋于不稳定。从前面所述及的研究现状可以看出,多物理场中多梯度耦合作用下室内有机污染物的散发及对流扩散问题,其本质是多物理场中的传热传质问题,已经成为传热传质领域中一个备受关注的热点。但是,这方面的工作仍然存在着许多缺乏之处,主要表现在以下几个方面:目前的研究主要集中于从控制挥发性有机物排放地机制入手,通过建立数学模型或实验模型来探讨材料中污染物的散发特点。欲改善室内空气品质,消除有害气体不仅仅需要掌握污染物的散发规律,还需明确污染物在室内的分布特征,.因此只研究散发规律是远远不够的。目前的研究中

32、对室内有机污染物的散发和扩散的影响因素考虑不够全面,其中文献【,?,考虑了温度对污染物散发的影响:文酬分析了湿度对气体污染物散发和传播的影响,仅文献【】探讨了温度和湿度对污染物散发的影响。然而从研究结果还可以发现,温度和湿度对气体污染物散发和传播有较为明显的影响,不考虑湿度、温度等因素所建立的数学模型必定存在一定程度的误差。迄今为止,仅有局部研究考虑了单一的温度梯度或单一的湿度梯度对传热传质的影响,而温度梯度、湿度梯度同时存在时污染物的散发机理,即多物理场共存情况下建筑室内污染物的对流扩散机理鲜有研究。.课题概述.本文的研究目的室内有机污染物的散发和扩散过程与温度梯度、水蒸气浓度梯度之间有密切

33、的联系,本文以室内空气品质为研究背景,以不可逆过程热力学为理论依据,考虑交叉耦合扩散效应的影响,建立多物理场中自然对流传热传质的层流和湍流数学模型,确定室内复杂环境中的温湿度和污染物浓度的分布特征以及影响气体污染物对流扩散的影响因素,为准确掌握有机污染物在室内的对流扩散特征以及分布规律奠定了理论根底,并进一步研究交叉耦合扩散效应对多物理场中自然对流传热传质的影响第苹绪论规律,通过实验验证交叉耦合扩散效应的影响机理,进而充分利用交叉耦合扩散效应的影响特性来根据实际需要促进或者削弱复杂体系中的热质传递速率。.本文的研究内容建筑室内环境主要表现为空气流动、热流以及污染物传输的混合过程,即空气对流传热

34、传质过程,室内环境中具有热源、水蒸气散发源和气体污染物散发源,在这种复杂的多物理场中研究室内有机污染物的对流扩散规律时,假设不考虑交叉耦合扩散效应的影响,将难以正确的描述室内热湿水平以及污染物浓度的分布状况,尤其是我国幅员辽阔,南北跨度较大,全国各地温度和湿度有明显差异,所以在研究室内污染物散发及传播问题时,须同时考虑温度和湿度对污染物散发的影响,才有可能得到具有普适性的模型,正确描述污染物的散发和传递规律。在对国家自然科学基金工程“多孔介质中热质传递的耦合扩散效应研究中发现,温度梯度和浓度梯度对“自然对流传热传质的作用呈现出非线性耦合的规律。笔者认为,在室内复杂的多物理场中,温度梯度和湿度梯

35、度对污染物的对流扩散影响是非线性耦合的。因此,室内污染物的传递便是由温差、湿度差和污染物浓度差引起的自然对流传热传质过程,而且在这种多物理场中还会有交叉耦合效应的影响,针对室内有机污染物的三元空气、水蒸气和污染物体系中的对流扩散问题,同时考虑热扩散效应和扩散热效应的研究至今还未见公开报道。本文重点采用数值传递和实验研究相结合的方法来探索和研究三个物理量的梯度耦合作用下的流动特性和传热传质规律。主要内容如下:第一章介绍了多物理场中自然对流传热传质的研究意义,对前人的研究和进展进行了综述,提出了本文的主要研究内容。第二章阐述了在多物理场中多梯度耦合作用下自然对流传热传质的机理,并基于不可逆过程热力

36、学根本原理,考虑交叉耦合效应的影响,推导出了封闭腔体内层流自然对流的数学模型,并在此根底上引进了各个重要的无量纲参数,得到具有普适意义的无量纲控制方程,并给出了数值计算方法的实施步骤。第三章采用数值模拟方法对封闭腔体内三个物理量的梯度耦合作用下的层流自然对流传热传质特性进行了分析和研究。详细讨论了各个无量纲参数,跏,形,肥,对流动即传热传质的影响规律。山东大学博士学位论文第四章在湍流流动加两方程模型的根底上,考虑交叉扩散项对传热传质的影响,并考虑了浮升力项对动量方程和、方程的影响,推导出了三个物理量的梯度耦合作用下的湍流自然对流的数学模型,并对其无量纲化求解,着重研究了湍流状况下交叉扩散效应对

37、流动及热质传递的影响。第五章首先通过实验研究了交叉耦合扩散效应,保持恒温的两个密闭容器以微细管相连通,容器内为均质混合气体,改变两个恒温容器的温差,分别测得容器内的污染物气体的浓度,实验研究温度梯度对污染物扩散的影响;在此根底上搭建了多组分对流扩散实验台,实验研究自然对流传热传质过程中交叉耦合扩散效应对热质传递的影响特性,实验中在水平方向上保持特定的温度梯度、污染物浓度梯度和水蒸气浓度梯度,实时监测腔体中相应点的温度、污染物浓度和湿度值,并与相同或相近工况下的数值分析结果进行了比拟。第六章总结了全文的工作,并对未来的工作进行了展望。.本章小结本章首先介绍本文的研究背景,阐述了室内空气品质对人们

38、健康生活的重要性,分析了室内气体污染物散发状况的研究现状,探讨了室内多物理场中污染物散发和对流扩散的影响因素,详述了考虑交叉耦合扩散效应时多物理场中复合自然对流传热传质的研究进展,针对目前研究污染物散发和对流扩散的缺乏之处,提出了本文的研究意义和研究内容。第章多物理场中自然对流传热传质机理及数学模型第章多物理场中自然对流传热传质机理及数学模型.概述当室内存在热源、水蒸气散发源和污染气体散发源时,便会产生引起自然对流的三个驱动力,即热浮升力和两个浓度浮升力。这三个物理量的梯度驱动下的自然对流流动直接影响温度场、湿度场和污染物浓度场分布,热量、水蒸气和污染物在室内扩散的本质是在多个梯度耦合作用下的

39、传热传质过程。准确把握室内人停留区的温度、湿度以及污染物浓度的分布特征是保障人类健康的一个前提条件,本文将这一实际问题抽象为封闭腔体内的自然对流传热传质问题。封闭腔体内的流动与换热在工程领域有着非常广泛的应用,包含了各种复杂对流传热的根本现象与特征,而且空腔内漩涡的存在容易导致数值模拟中出现“伪扩散现象,封闭腔体的自然对流换热问题也是计算流体力学与数值传热学研究的经典课题之一。本文将室内空间简化为二维方形腔体,研究这类最具典型性的流动与传热传质问题,探讨多物理场中多组分对流扩散机理,便于准确描述室内热、湿以及污染物的分布状况,为创造良好的室内空气品质奠定理论根底。.多物理场中自然对流传热传质的

40、理论分析在许多传质过程中会伴随有温度梯度,如冷凝、蒸发、枯燥或者一些化学反响等,相关研究发现,在温度梯度和浓度梯度同时存在时,传质和传热相互间有强烈的影响并且具有复杂多样性【。即前面所述的温度梯度的存在对传质产生一定的影响,反过来组分浓度梯度对传热也有一定的影响,尤其在同位素别离、灰尘自气体的热沉积过程中以及化学气相沉积中,热质耦合效应显得非常重要【刀。在典型算例.对流中,温度的改变也使得流体主体以及界面的性质发生变化,这种变化可导致自然对流以及界面的运动。具体到室内复杂的多物理场中,温度梯度和水蒸气浓度梯度对气体污染物和颗粒污染物的散发和传播均有显着影响】,即污染物的散发过程是其本身浓度梯度

41、、温度梯度以及湿度梯度等多梯度多驱动力共同作用的结果,在这个所研究的体系内,气体污染物和颗粒污染物的散发和传播受到三个热力学力的影响,因此复杂体系内多物山东大学博一:学位论文理场耦合作用时污染物的散发和扩散规律非常复杂,需要具体分析热力学流与热力学力之间的关系。.不可逆过程中热力学流和热力学力的关系.局域平衡假设对于一个多物理场非平衡体系,内部的某些变量,例如压力、温度丁或熵可能不是均匀的,因此不可能再定义一个体系的压力、温度等。为了便于研究,在非平衡态热力学中通常引入局域平衡的假设 】,其根本思想是设想把所讨论的体系划分成许多很小的体积元,每个体积元在宏观上足够小,以至于它的性质可以用该体积

42、元内部的某一点附近的性质来表示,但所有的体积元在微观上讲又是足够大,每个体积元内部包含有足够多的分子,因而仍然满足统计处理的要求。假想在某一时刻,把每个小体积元和周围的环境隔离,那么时刻处于非平衡状态的小体积元内的分子在经过厨时间间隔以后会到达平衡状态,于是在,国时刻可以按平衡态热力学的处理方法定义每个小体积元内的一切热力学变量,例如压力、温度和熵等。假定却和整个体系宏观变化的时间标度相比小得多,那么可以假设时刻在任何一个小体积元内的热力学态变量可以用在,西时刻到达平衡的相应的小体积元内的热力学量来近似。但光有这样的近似还不够,为了能把热力学方法应用于非平衡体系,还需要另外假设,即认为上述近似

43、定义的热力学变量之间仍然满足在平衡体系中所满足的热力学关系。在局域假设的根底上,非平衡态热力学还是以热力学第一定律和第二定律为基础。.非平衡态区域的划分推动热力学流的热力学力可以用来表征体系偏离热平衡的程度,根据热力学力和热力学流之间的不同关系,可将热力学的研究划分为三个领域【】:.当热力学力和热力学流皆为零时,整个系统处于平衡状态,即平衡态热力学,或者称之为可逆过程热力学或经典热力学。经典热力学早已有成熟的理论,它对物理学、化学和自然科学等诸多领域产生过并继续产生着重要的作用。.当边界条件迫使体系离开平衡态时,宏观不可逆过程随即开始,于是热力学力和热力学流皆不为零,由于热力学力是产生热力学流

44、的原因,因此可以认为热力学流是热力学力的某种函数,假定这种函数关系存在且连续,并可以以平衡态力和流皆为零的态作为参考态作展开,对单一传递过程有,似厶似。尝。似一虱 矛.一托?因为在平衡态力和流皆为零,于是从互饼:/。.?其中,协上尝。高次幂的项比第一项小得多,假定这些高次幂的项可以忽略不计,那么有,五 .式.所表述的即为热力学力和热力学流间的唯现象关系,假设唯象系数代表了热力学力和热力学流之间满足线性关系,满足这种线性关系的非平衡态可称之为非平衡态的线性区。在导出线性关系.时,仅仅考虑了一种特殊的情况,即体系中只有一种非平衡过程,因而体系中只有一种过程推动力和一种非零的速率过程,即只有一种热力

45、学力和一种热力学流。但如果体系中同时发生多种非平衡过程,实验说明,一种非平衡过程的流不仅决定于该过程的推动力,而且还受到其它非平衡过程的影响,即不同的非平衡的不可逆过程之间可以存在某种耦合。例如非平衡的温度分布不仅能引起热流还可以引起物质流,这就是热扩散现象。反过来,浓度分布的不均匀不仅能引起物质流,还会引起热流和能量流。还有压强差不仅能引起物质流,还能引起电流,这就是动电效应,如此等等。因此一般来说,一种流五是体系中各种力的函数.以以将上式作展开,可得山东大学博:学位论文协,讹以军七。五圭荟矗。小一如果体系中所有不可逆过程都接近于平衡,所有过程推动力石,?都足够弱,以至于可以忽略展开式?中的

46、所有关于力的高次幂的项只保存其线性项,同时考虑到.以眠.。那么可得线性唯象关系以厶,.舯厶盖。唯象系数三船关联了热力学力和它对应的热力学共轭流以,而肼七,反映了各种不同的不可逆过程间的交叉耦合效应。同样,唯象系数“可能与体系的内在特性例如温度、压力或组分浓度有关,但与这些参数的变化速率无关。.当热力学力不是很弱时,即体系远离平衡时,局域平衡假设成立,而展开式.中的包含热力学力的高次幂项的奉献可能不再是的,因而必须在展开式非局域平衡区中保存这些非线性高次项,显然此时热力学流是热力学力的非线性函数。热力学力和为非平衡区域的层次,简明表述了热力学所涉及的这三个领域。第帚多物理场中闩然对流传热传质机理

47、及数学模型鼍曼皇曼曼曼曼曼曼鼍? ; ; ; ; ;. 一曼曼曼鼍曼曼曼曼皇量曼量曼曼曼量量曼量曼鼍曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼.线性关系中唯象系数的性质删.热力学第二定律的限制设系统中只有两种不可逆过程,热力学流与热力学力之间的线性唯象关系可以写作三厶以工 其中,西和乃分别代表了两种不可逆过程的热力学流,局和咒分别为相应的热力学力,门和厶,反映了这两种过程间的耦合程度。不可逆过程的一个特征量便是熵产,.仃以厶五厶三沙五三置上式中,仃为熵产,根据热力学第二定律,体系中总的熵产生总为正值,等式.恒为正值的充要条件是.厶, 厶三厶上式说明,唯象系数的取值并不是任意的,因而不可逆过程间的耦合也不是任意的

48、,其耦合关系受热力学第二定律的限制。.空间对称性限制?嘶原理从不可逆过程热力学的观点来看,热力学力是过程的宏观原因,热力学流是这宏观原因产生的效应,原理指出,热力学力不能比与之耦合的热力学流有更多的对称元素,即力不能比与之耦合的热力学流有更强的对称性。认为,在各向同性介质中,不同对称性的流和力之间不存在耦合。.时间对称性限制倒易关系唯象系数是以局域平衡假设提出的,因此它遵循微观可逆原那么。这一限制导致了式.的物理意义为:当第个不可逆过程的流以受到第七个不可逆过程的力%,影响时,第七个不可逆过程的流五受到第个不可逆过程的力忍的影响,并且表征这两种相互影响的耦合影响相同,式.是由于年确定的【,因此

49、这种关系称之为倒易关系。线性唯象关系关联了各种缓慢的不可逆过程,但对于两种力和两种流的最为简单的情况,还有四个唯象系数需要确定,对于更多的力和流的情况,需要确定的唯象系数大为增加,这使得研究分析十分困难,关系的重要意义在于它大大减少了研究分析的困难和工作量。.二元体系中热质耦合传递机理当体系中组分浓度存在局部不均匀性时,由于分子的热运动,会有宏观量级的物质穿过不均匀的外表或者边界,这种扩散过程是一种极为普通的物质输运现象,即通常所称的菲克扩散。对于更多组分的体系,情况更复杂一些,不同组分的扩散过程之间会发生相互作用,即通过线性唯象关系发生耦合。当体系中同时存在有温度不均匀性和浓度不均匀性时,会

50、有扩散过程和热传导过程之间的耦合。本文考察二维封闭腔体内由于温度的不均匀性和浓度的不均匀性引起的自然对流传热传质。假定流体为各向同性,且粘滞现象可被忽略,考虑热扩散与扩散热效应的影响,同时假定无外力存在。假设我们假设力学平衡迅速地建立,那么在这些条件下整个体系的压强是均匀的,那么通量与热力学力之间的唯象方程可写为舶,一罟。去等争邯,罟圭等争根据倒易关系,厶三训,三。引入以下一组系数,代替式.和.中的各个唯象系数,允:./ .:土,亟、膨丁挑/即.?乓厣:?二 .胆。其中,为导热系数,.一;为质扩散率,.;?为热扩散系数,.一;为扩散热系数,热扩散效应和扩散热效应现象由系数和.式可成形式弟审爹物

51、胖场甲目然对沉传热传质 埋及毅字模型协,叻九,巩以丁一%由唯象方程导出能量和传质的微分方程形式出,胪百,“罢茜一州西仞等%彩,鲁甜鲁参一咖告坊:.丁。乳。现在引入以下定义式. . 一,:垡,一口:旦 .驴:等丁式中,为索瑞特系数,瓜;为热扩散因子,为热扩散比,那么.和.可进一步简写为,协,胪百鹕旧多二而珈,鲁“塑軎乞而 砂乙 对于气体,热扩散因子几乎与组成无关,而索瑞特系数曲多用于液体。.交叉耦合扩散系数当热扩散比取正值时,组分趋向冷端运动;当其为负值时,组分那么趋向较暖一端运动。研究交叉耦合扩散效应对传热传质的影响特性,首先要确定交叉扩散系数的取值规律,热扩散和扩散热系数的值不仅与体系中各组

52、分的质量分数有关,还受平均温度以及各组分物质的分子量的影响,一般通过实验来确定。在交叉扩散效应的量的度量上,索瑞特系数曲、热扩散因子和热扩散;幻均可以表征交叉扩散效应对传热传质的影响特性,在文献【中列举了气体与液体混合物中所测得的索瑞特系数的值,其量级一般为刁至 。本文还列举了局部与交山东大学博十学位论文。液体 气体/ 组分. /组分. “ . . . . . . . . .一. . . . . . .?. . . . . . .?注:砌表示组分的摩尔分数气体液体/组分? / 组分. 矿枞 . . .一. . . . . .一. . . . . .一. . . . . . . .注:.翔表示组

53、分的摩尔分数;.组分在热区时热扩散因子取正值。鉴于交叉扩散系数的取值与多种因素有关,本文后面的分析中拟取无量纲准那么数来综合研究交叉耦合扩散效应对自然对流传热传质的影响机理,探析得出一般性的规律,从而有效的解决多物理场中自然对流传热传质的实际问题。第章多物理场中自然对流传热传质机理及数学模型.多物理场中二维层流自然对流数学模型新建的建筑室中,某些建筑、装饰材料或者家具材质内通常含有挥发性有机化合物,有机污染气体散发然后对流扩散到整个室内空间,同时房间内可能会同时具有温度差和湿度差,因此在复杂的居室环境内由于温度差、湿度差和污染物气体的浓度差引起局部密度的不均匀,从而导致自然对流复合的热质传递。

54、欲改善室内的热湿环境和污染物的浓度水平须首先掌握室内温度场、湿度场和污染物浓度场的分布状况,有必要对多物理场耦合下的自然对流传热传质问题进行研究。本文将室内环境简化为的二维方形腔体如图.所示,其中一侧壁面为污染物散发源、水蒸气散发源和热源,。右侧壁面维持较低的温度、水蒸气浓度和污染物气体浓度,温度差、湿度差和污染物浓度差的存在产生温度梯度、湿度梯度和浓度梯度便会导致局部密度差异从而形成自然对流。.根本假设多个梯度耦合作用下的自然对流传热传质问题,尤其是考虑了交叉效应的室内环境方面的研究相对较少。本文为了研究多物理场中复合自然对流的特性,探讨交叉耦合扩散效应对多物理场中的对流扩散的影响规律,因此

55、作出如下根本假设:.认为所有的热源与污染源都分布在流场边界,流场内部不存在任何固体障碍山东人学博学位论文物及源与汇;.流动为非稳态、不可压缩、层流;.空气与污染物气体充分混合,考虑热扩散效应和扩散热效应;.不考虑化学反响;.空气混合物的所有热物理性参数均视为常数,但密度随温度与浓度的变化遵循假设,即.【一卢仃一瓦一卢?一卢,一%】式中,厨为温度引起的体积膨胀系数,.;艮为浓度差引起的体积膨胀系数,.一;肋为湿度差引起的体积膨胀系数,.,其定义式如下,.肛一去等、.缸 .肛孰 们/,.、.。.数学模型基于上述根本假设,在考虑交叉耦合扩散效应对传热传质影响的根底上,推导出了多物理场中层流自然对流传热传质的模型如下,连续性方程塑业: .叙勿动量方程?一?二,?砂。叙 砂 罢塑考一去罢鲁等?一?二?彳? 拶一 ,. 一 甩一,“ 几。一%】、 。一、等丝喀一上考鲁雾睇仃一 砂 砂 砂.能量方程瑚, 旺。引瓦枷瓦万口【虿矿“形【爵矿 叙斗矿要甜罢。等口窘害等等弋萨矿成?第币多物理场中目然对流传热传质机理及数字模型皇曼曼量曼曼曼皇曼曼量曼曼曼皇曼曼曼曼曼量曼詈量曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼