壁面放热化学反应的对流传热以及相关实验研究

论文总字数：31876字

摘 要

关键词：对流传热，化学反应，吸放热，comsol multiphysics

Convective heat transfer of exothermic chemical reaction of wall surface and its related studies

03011305 Weiwei Wang

Supervised by Fan Gu

Abstract:The exothermic chemical reaction of the wall is common in the heat transfer of the fluid solid, and exists widely in various engineering fields.. Convection in the wall between the fluid will react with the channel wall, release or absorb heat, resulting in physical and chemical properties of the fluid is changed, so that the convection heat transfer to the fluid changes.In this paper,a software named comsol multiphysics,is used to combine convective heat transfer with chemical reaction,coupled with the temperature.From a convective transfer in a simple model,we analysis the different effect of Exothermic chemical reaction and endothermic chemical reaction,and solve out the numerical analysis solution under different conditions.

Key words: convective heat transfer,chemical reaction,heat absorption and release,comsol mulphysics

目 录

第一章 绪 论 1

1.1 研究的背景及意义 1

1.1.1 微小尺度下的对流传热过程 1

1.1.2 流体与固体的化学反应 2

1.1.3 对流传热与化学反应的耦合 3

1.2 我国当今的能源发展现状 3

1.3多物理场耦合分析软件 comsol multiphysics 3

第二章 原 理 5

2.1 建模原理 5

2.2 建模过程 10

第三章 吸热化学反应的对流传热 18

3.1 不考虑壁面与流体之间的化学反应 20

3.2 考虑壁面与流体之间的化学反应 21

3.2.1 考虑化学反应与不考虑化学反应的对比分析 21

3.2.2不同工况下的壁面吸热化学反应的对流传热过程 24

第四章 放热化学反应的对流传热 33

结 论 35

致 谢 36

参考文献（References） 37

壁面放热化学反应的对流传热以及相关研究

第一章 绪 论

1.1 研究的背景及意义

化学反应的发生总是伴随着热量的吸收与释放的过程，而流体在壁面中对流传热过程也是伴随着热量的传递的，当这两种过程结合到一起去的时候，这就产生了壁面放热化学反应的对流传热问题。对于微小体积里的对流传热过程，在我们现实生活中还是比较常见的现象。比如，从小的一方面来说，我们平时吃的面包，用来制造家具的木材，建筑工程中使用到的水泥混凝土等，从大的一方面来说，地球上到处都存在的土壤都会存在大量的间隙，这些地方大多存在微小的孔隙，内部一般都充满着气体或者液体等流体，这些流体就会与这些孔隙中的固体发生对流传热以及化学反应过程。对于微小壁面的放热化学反应的对流传热过程的研究有其必要性，在众多领域都涉及该内容，比如：微化工技术，微型燃烧器等等。本文所研究的正是壁面放热化学反应的对流传热过程中流体对传热量的影响。

1.1.1 微小尺度下的对流传热过程

本文所要研究的对流传热过程，主要是指流体与高温固体壁面之间发生相对移动的时候所产生的热量传递的过程。对流传热是流体与壁面之间的传热的主要形式之一，影响微小尺度下对流传热的传热量的因素有很多，其中最主要的有五个因素：

1. 流动的起因：流体流动一般两种方式产生，一种是由流体的外部的动力推动流体流动所造成的强制对流传热现象，而另一种是由于流体内部的密度差所造成的自然对流传热现象。这两中对流传热，因为流动的起因同，一个是外部因素，一个是内部因素，导致初参数状态下的速度场的不同，因此传热分布也就有所不同。
2. 流体有无相变化：所谓相变，是指物质从气体，液体，固体三相之中相互转变的过程。而在相变过程中，流体的物理性质，化学性质等等会发生相应的变化。在没有相变的时候，流体的对流传热过程相对比较简单，可以根据温度的变化来计算其传热量；而在发生相变的对流传热过程中，比如沸腾或者凝结等，会伴随着汽化潜热的吸收或者释放，因此这两者的传热规律也会有所不同的。
3. 流体的流动状态：粘性流体的流动状态可以分为两种：层流和湍流。当流体层流流动的时候，流体内部各部分的各个微小流体主要是沿着流体来流速度方向进行有规律的流动，而当流体湍流流动的时候，流体内部的各个微小流体做剧烈的无规则的运动。因而，流体的流动状态的不同，也会导致流体传热规律的不同。
4. 换热表面的几何因素：换热表面的几何性质，如壁面的形状大小等，会对传热过程造成较大的影响；换热表面的物理性质，如换热表面的粗糙度是否会影响传热流体的稳定流动，导致速度场的分布发生较大的变化等；换热表面与流体之间的其他性质，如换热表面与流体流动的相对位置：同一个圆管以及同一股流体，流体从圆管的内部流过与流体从圆管外侧掠过，这两种不同的流动方式所带来的对流传热的分布规律也会有很大的不同。再比如说，同一块带有高温热源的平板，置于空气中，高温热源位于上表面或者下表面，则对流传热的热量分布就是有所不同的。
5. 流体的物理性质：除了换热表面对对流传热有很大影响之外，流体本身的热物理性质也会对对流传热产生较大的影响。流体的密度，粘度，导热系数以及定压比热容等流体的热物理性质等都会对流体的速度场的分布产生较大的影响，从而影响到流体的对流传热过程。因此，为了强化传热过程，我们可以选择不同的流体来达到强化传热的目的。比如：内冷发电机的冷却介质的选择，就是在水和空气之间选择了水作为冷却介质，从而大大提高了发电机的效率。

有上面的详细介绍中，我们不难发现，影响对流传热的因素还是比较多的。流动的起因，流体的流动状态，流体的有无相变化，换热表面的性质，流体的物理性质等等都会对对流传热过程造成较大的影响，因此在各种研究中我们要注意这些因素，以免他们对对流传热造成影响，导致实验数据偏离实际值甚至导致整个实验过程的失败。

对于本次研究中的对流传热过程，我们可以认定其为流体单相对流传热过程，且在对流传热过程中，流体始终保持着层流流动。对于该对流传热过程，我们可以简单的用努塞尔数来进行进算对流传热系数，从而得出对流传热量。努塞尔数的定义式为：

（1-1）

其中h表示对流传热系数，l表示对流传热的特征长度，k为导热系数。努塞尔数，反映了对流传热过程进行的强烈的程度，努塞尔数越大，则对流传热的传热强度也会越大。而在实际计算中，努塞尔数的定义式是用来计算流体对流传热的传热系数的，并不能直接用来计算努塞尔数，因此要计算努塞尔数就需要用另外的方法来进行。我们可以建立这样一个模型：当流体以层流形式外掠等温平板的过程。由于该流动过程中存在边界层，所以在计算式要考虑到边界层厚度的问题，流动边界层和热边界层的比例也将在计算过程中表示出来。最后得出来的无量纲数就是我们所要求取的努塞尔数的计算公式：

（1-2）

在该式中的两个特征数：雷诺数Re和普朗特数Pr都有流体的物理性质有关，而流体的这些物理性质如动力粘度等都与流体的温度有关，温度的变化，会导致这些参数的变化，因此在计算过程中要采用某一温度来确定流体的物理性质，而这一温度就被成为定性温度，对于本次研究中的简单对流模型，我们可以用高低温度的平均温度来作为定性温度。研究表明，该努塞尔数的计算式，雷诺数小于2×10⁵的范围内，空气的实验结果与努塞尔数公式的计算结果比较吻合，因此在层流流动中该式都是一般适用的。

1.1.2 流体与固体的化学反应

在对流传热的简单模型之中，流体无论以什么样的方式流过壁面，都将与壁面之间有充分地接触，这样就有机会与壁面之间发生化学反应，生成或者吸收热量，影响到传热过程。因此，在对流传热过程中发生的流体与壁面之间发生的化学反应是不可忽视的。在当今社会的生产生活之中这些化学反应也是比较常见的，比如地下水在底层之间的流动等在化学工程，冶金工程以及能源工程中都有广泛的涉及。流体与固体的化学反应，如碳和二氧化碳的吸热反应与碳和氧气的放热反应，由于反应物与生成物的内部结构不同所释放或者吸收的热量以及反应的剧烈程度等都都有所不同，所以这两种反应对对流传热的影响也是不同的，或者阻碍传热，或者强化传热，这两种完全不同的反应，在生产中如果得到了充分地利用，也将对提高生产效率有较大的好处。

1.1.3 对流传热与化学反应的耦合

当对流传热与化学反应同时发生的时候，我们可以看到对流将化学反应的反应物带到壁面内另一个固体反应物的区域，起到了运输的作用，而在进行了反应之后，化学反应由于熵焓的增减而吸收或者释放出热量，从而影响到流体的物理性质，以至于对对流产生影响，改变其流体内部的速度场的分布，进一步影响到对流传热过程。

1.2 我国当今的能源发展现状

我国能源在国内的储量非常之多，地大物博，能源种类也相当的多。但是，就国内平均每人所拥有的能量储备而言，我国目前还算是“资源贫瘠国”。其次，我国能源的结构分布并不合理，煤炭储量丰富，但是在这个一直倡导新能源利用的社会里而言，就显得没有必要；石油资源以及天然气资源，在我们的生产生活中到处都能利用得到，但是我国国内的可用石油及天然气资源却不多，而勘测出来的能源也有大部分的能源因为难以开采而变得不可用，甚至需要到国外去进口石油与天然气资源。而在资源贫乏的情况下，又因为单位产量能耗较高与管理技术的不先进，落后于发达国家，而浪费了较多的能量，加剧了中国的能源问题。中国国内的生产生活都是以煤炭为主的，所以在燃烧煤炭的时候也会相应的释放出大量的二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫等污染性气体，不管是电力行业还是其他工业的用煤，都将对中国的环境造成不同程度的污染。中国的能源结构不能改善，这种状况还将一直延续下去。因此，节约能源，提高能源利用效率也是当今社会迅速发展不可忽视的一个重要课题。而提高能源利用效率中的一个有效的措施就是在传热过程中强化传热或者阻碍传热，从而节约能量。

1.3多物理场耦合分析软件 comsol multiphysics

在本次的研究中，我们将会把对流传热与化学反应有机的结合到一起，利用温度来进行耦合。由于是一个多物理场的耦合过程，所以我们将用到comsol multiphysics这款软件来仿真模拟壁面放热化学反应的对流传热过程。

Comsol 软件是一款能够将多个物理场耦合在一起，并且能够将其完美在计算机上展示出来，还能够提供给使用者专业的数值分析，是一个基于偏微分方程的交互式开发软件。除了计算机上的物理场耦合以及与数值模拟之外，comsol 软件还在医疗设备的准确测量领域，航空航天领域，能源领域等各个重要的领域内有着其重要的地位。

COMSOL Multiphysics是以有限元法为基础，通过求解偏微分方程（单场）或偏微分方程组（多场）来实现真实物理现象的仿真，被当今世界科学家称为“第一款真正的任意多物理场直接耦合分析软件”。利用偏微分方程的数值解来解析整个物理过程每一个的物理性质，包括温度、压力、速度等参数的求解，最终将整个多物理场以图形的形式展现在你面前，所以是涵盖了CAD的大部分功能，在处理好图形，输入初参数之后，就可以进行计算了。在计算的过程中，是将整个多物理场网格化，利用微分方程进行计算。计算结果出来之后，我们可以对结果进行自定义的计算以及将我们计算出来的结果以表格的形式导出，所以是包含了excel软件的功能。总而言之，comsol 软件是一款功能非常强大的多物理场耦合的数值分析的软件。

用数学方法求解真实世界的物理现象，COMSOL Multiphysics以高效的计算性能和杰出的多场双向直接耦合分析能力实现了高度精确的数值仿真。目前已经在声学、生物科学、化学反应、弥散、电磁学、流体动力学、燃料电池、地球科学、热传导、微系统、微波工程、光学、光子学、多孔介质、量子力学、射频、半导体、结构力学、传动现象、波的传播等领域得到了广泛的应用。

comsol软件中有大量预定义的物理应用模式，范围涵盖从流体流动、热传导、到结构力学、电磁分析等多种物理场，用户可以快速的建立模型。COMSOL中定义模型非常灵活，材料属性、源项、以及边界条件等可以是常数、任意变量的函数、逻辑表达式、或者直接是一个代表实测数据的插值函数等。

Comsol软件是多场耦合计算领域的伟大创举，它基于完善的理论基础，整合丰富的算法，兼具功能性、灵活性和实用性于一体，并且可以通过附加专业的求解模块进行极为方便的应用拓展。用户只需要输入不同的偏微分方程，软件就会自动将其进行耦合，并进行求解。除了自己输入方程之外，软件还可以先构造多物理场的几何结构再在图形中自定义偏微分方程。物理模型丰富，涵盖几乎整个科学领域。内置CAD建模工具，可以自行建立整个物理场的结构，或者从CAD中导入模型。丰富的后处理功能，用户可以根据自己的需要来进行后期的数据处理，包括各种数据、曲线、图形等的处理和分析。

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