1.空调/热泵的有效利用和优化设计

2.低温位热能的综合开发利用

3.液化天然气冷能回收的热力分析及优化

4.多孔介质蒸馏热质传递机理研究

5.气隙扩散式热质传递应用研究

6.幂律流体在多孔介质中对流及传热特性研究

成果介绍

幂律型非牛顿流体在多孔介质中对流及传热特性研究

国家自然科学基金（NO.51276029）

非牛顿流体在多孔介质的流动与传热是自然界和工农业生产常遇到的物理过程。课题选用聚丙烯酰胺（PAM）水溶液作为幂律型非牛顿流体（幂律流体），构建以金属铜球为骨架的规则排列多孔介质通道，建立幂律流体在多孔介质中的流动与传热数学模型，采用流固耦合方法对模型进行数值求解，获得了幂律流体在多孔介质流动与传热过程的速度、温度、剪切速率和剪切应力等参数，研究了幂律流体流变特性和多孔介质结构参数对幂律流体在多孔介质中的摩擦系数和努谢尔数的影响规律。构建规则多孔介质阵列和采用流-固耦合方法，克服了多孔介质体积平均理论及局部热平衡模型不能够充分反映多孔结构本身对流动与传热影响的局限性，课题在一定程度上揭示了非牛顿流体流变特性和多孔介质结构参数对幂律流体在规则排列多孔介质中的流动和传热影响机理。

多孔介质在日常生活中随处可见，例如土壤和砂石层（见图1）等，但是直至19世纪，它才作为一个专门的学科被提出来，多孔介质的概念和理论是达西（Darcy）在研究地下水时首次提出的，自此以来，它一直被广泛应用在自然界的研究进展中，例如土壤、岩土以及岩石等。20世纪，随着石油能源的广泛使用以及石油开采业的迅速发展，人们对多孔介质的理论以及应用有了更进一步的研究。与此同时，多孔介质在其他工业技术的发展中的也有了延伸和扩展，人们已经开始认识到多孔介质应该是一个更广泛的概念。在自然界以及工业技术应用，比如，农业、地质、能源、冶金、石油、材料、医学以及航空航天等领域中，很多问题在一定程度上都可以认为是多孔介质范畴，如农作物在土壤中水分以及养分吸收和迁移问题、地源热泵中地埋管与周围土壤的换热问题、油气开采中的渗流问题，人体内血液的流动问题等。从广泛的应用中可以发现，多孔介质理论在工程热力学、传热传质学、流体力学、扩散理论、渗流理论和医学等学科中都有涉及，因此，多孔介质理论是一种交叉学科的理论。

近些年来，在一些工业领域的应用中，多孔介质成为一种非常重要的提高对流换热的方法，随着技术的逐渐成熟，多孔介质技术已经成为许多研究的主题并且获得了很大的成果。但是多孔介质在提高对流换热能力的同时，流体流动的阻力也增加了很多，这给很多实际工程带来了高成本。多孔介质中的强制对流换热在过去的十年内已经成为一个持续的热点，其原因是多孔介质传热在各个领域的广泛应用，比如太阳能接收设备，建筑保温，能源储存，热管以及催化反应器，多孔介质的广泛应用也证明了多孔介质在强化换热方面有很好的前景。多孔介质中流体和固体间有非常大的接触面积，因此有很大的对流换热系数，有学者研究证明了多孔介质能够将流体的换热能力提高5-12倍，因此，研究多孔介质的换热问题对于能源危机日渐加剧的现状很有必要。但是在提高换热效率的同时，多孔介质中复杂的结构导致流体流动的阻力也增加的非常快。因此，多孔介质中的流动和对流换热问题的研究在工程实际应用中很有价值。

在生活和工业生产过程中，有许多不服从牛顿剪切定律的非牛顿流体，例如化学工业中的各类泥浆、工业用油脂等，人体内和动物体内的血液、细胞液等，食品中的牛奶、巧克力、饮料、食用油等以及高聚物溶体和高聚物溶液等都是非牛顿流体（见图1），因此非牛顿流体的流变性以及运动规律受到各行各业的关注。幂律流体作为一种非常典型的非牛顿流体有很大的应用价值，比如作为不可再生能源的油气资源，它是一种十分有限的能源，但是它的开采率以及二次开发率都相当地低，所以三次采油的技术就变得非常重要，从这个意义上来讲，幂律流体的流动和换热研究有很重要的实际意义，因此，幂律流体在多孔介质中的流动与换热过程中特性和规律的研究是非常必要的。幂律流体区别于水的一个重要特质就是表观粘度较大并且表观粘度随剪切速率发生变化，对PAM水溶液进行了流变性实验，粘弹性实验，研究了PAM水溶液自身的流变性和粘弹性（见图2），并依据流变性的研究，讨论了流变参数对摩擦系数，雷诺数和对流换热系数的影响。

课题提出了一个幂律型非牛顿流体在颗粒堆积多孔介质内流动的阻力预测模型。利用CFD软件数值研究了颗粒三维有序堆积多孔介质的流动和对流换热问题，采用流固耦合的方法研究了多孔介质通道内温度分布、局部对流换热系数的分布（见图3）以及铜球和流体之间的对流换热的影响因素。利用数值模拟方法对规则排列四种模型（见图3）多孔介质内部铜球和周围流体间的流动换热情况进行了研究，通过铜球和流体间的换热系数与不同关联式之间的对比，拟合出了同时适用于水和幂律流体的多孔介质努塞尔数Nu和雷诺数Re的关联式，给出了关联式的适用范围；分析了各个工况下的综合换热效率。通过理论研究、数值模拟和实验研究，建立了幂律型非牛顿流体在多孔介质中的流动与传热数学模型，探索了求解幂律型流体在多孔介质中的流动与传热数值方法。在一定程度上揭示了幂律型非牛顿流体流变特性与多孔介质结构参数对其在多孔介质中的流动与传热的影响规律。

图1 非牛顿流体和多孔介质应用领域

 图2 非牛顿流体（幂律流体）的特点和本构方程

 图3 幂律流体在多孔介质中的应用  

基于盐溶液温差效应的多孔介质蒸馏热质传递机理研究

国家自然科学基金（No. 51876023）

气隙扩散蒸馏AGDD（Air-gap diffusion distillation）是在气隙膜蒸馏AGMD（Air-gap membrane distillation）技术基础上提出的一种新的脱盐技术。AGDD使用低成本易获取的超亲水性多孔介质材料作为热流道，通过加热进料溶液产生相变，以分离不同沸点的组分，达到去除溶液中盐分目的。如图1所示，溶液以多孔介质为载体从多孔介质内汽液接触面蒸发，多孔介质的亲水性可以保证在很小的气隙内，溶液不会污染被分离组分，脱盐率稳定保持在98%以上。AGDD可以绕过AGMD微孔膜的开发和维护成本问题，兼备了AGMD方法的优势，在常压和稍高于常温的条件下运行，利用工业低品位余热或可再生能源如太阳能等作为驱动热源进行脱盐，设备简单、资金投入少，几乎没有场地限制，有望发展成为一种廉价、清洁的脱盐方法，具有较高的研究价值和发展潜力。

如图2所示为AGMD单元（图2（a））与 AGDD单元（见图2（b））扩散方式对比；与AGMD不同的是，AGDD 使用多孔介质代替了 AGMD 的热流道和疏水微孔膜进行溶液的渗流和蒸发。AGDD 由热流道（超亲水性多孔介质）、气隙、冷凝板、冷流道以及外部加热装置组成。进料冷流体从系统底部通过冷流道流向顶部，由外部热源加热后送入超亲水性多孔介质热流道。热流体从多孔介质顶部向下渗流，低沸点组分从多孔介质气液接触面蒸发进入气隙；气隙是一个与大气压连通的极窄的空间，在蒸汽分压差的驱动下，蒸汽穿过气隙在冷凝板表面凝结，形成淡水流出，以达到脱盐目的。

与 AGMD 方法相比，AGDD多孔介质的超亲水性具有稳定表面流场的作用，使蒸发侧与冷凝侧之间的换热更加充分；较低的工作温度也可以有效避免结垢，并且这种结构具有自清洁功能，使进料溶液流过多孔介质内部并冲洗孔隙以避免盐分堵塞孔隙；同时超亲水性多孔介质的毛细作用可以连续抽吸水溶解盐分，阻碍盐分的积累结晶，减少浓差极化的影响。

从图3渗流（左侧）和温度（右侧）可视化云图中（流动方向为Y=0-0.5m）可以观察到优先流的存在；最先通过界面的指流（优先流）尖端增长最快，引领了大部分流量，在饱和毛细上升区形成指流（图3（a））。根据变异系数CV（Coefficient of variation）评价优先流的发展程度，可以将优先流分为三个阶段（图3（b）-（d））即稳定发展、指数发展和高速增长阶段。实验结果表明，优先流在一定程度上影响了多孔介质温度场分布的不均匀性，减小了多孔介质的有效蒸发面积。

建立了多孔介质内优先流发展程度、蒸发热质传递速率与多孔介质主要参数表征的多元回归方程；如图4所示为蒸发通量（图4（a）和（c））和平均传质系数（图4（b）和（d））随热流体的平均雷诺数Re和T_cⁱⁿ，T_hⁱⁿ的变化；研究发现，多孔介质的热质传递阻力会导致增加的有利条件（增加T_hⁱⁿ，降低T_cⁱⁿ）利用率降低。根据饱和度不同，多孔介质内的优先流可分为流道不均匀和渗流不稳定两种模式，两种模式下优先流发展程度分别由孔隙结构不均匀性和流场不稳定性控制。构建了考虑优先流和热湿耦合传递的高饱和度超亲水性多孔介质AGDD过程数学模型，分析了AGDD单元几何参数、运行参数和多孔介质结构参数对蒸发传热过程影响规律。

本项目在构建多孔介质降膜流动蒸发现象、温度和流速波动特征、热质传递规律的内在关联方面形成研究特色和创新，为探究与基于盐溶液温差效应强化热质传递过程相适应的多孔介质结构特性及关键因素提供了一定的理论依据和技术支持。

图1  气隙扩散蒸馏（AGDD）模型

（a） AGMD 单元                         （b）AGDD 单元

图2  气隙膜蒸馏和气隙扩散蒸馏扩散方式对比

图3  优先流可视化及优先流参数（a）优先流可视化；（b）渗流前沿和温度前沿CV

 随时间的变化；（c）渗流前沿和温度前沿CV 随深度的变化；

（d）972s 时候的温度分布CV随深度的变化

图4  蒸发通量和平均传质系数随热流体的平均雷诺数和T_cⁱⁿ，T_hⁱⁿ的变化

（a）J_m随T_cⁱⁿ和Re变化； （b）h_m随T_cⁱⁿ和Re变化；

 （c）J_m随T_hⁱⁿ和Re变化；（d）h_m随T_hⁱⁿ和Re变化