CN108021755A - 多孔介质的对流换热系数的确定方法 - Google Patents
多孔介质的对流换热系数的确定方法 Download PDFInfo
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Abstract
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。
Description
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。
本公开的一种示例性实施例中，所述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包括：
根据所述随机三维多孔介质中组成所述多孔骨架的支撑体的数量和尺寸计算所述支撑体的等效直径。
本公开的一种示例性实施例中，所述支撑体的等效直径的计算公式为：
其中，Den为支撑体的等效直径，D为支撑体的尺寸，n为支撑体的数量，h(D)为尺寸D的密度分布函数。
本公开的一种示例性实施例中，所述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包括：
针对所述流体粒子的密度分布函数和平衡态密度分布函数，所述流体粒子的温度分布函数和平衡态温度分布函数，以及所述流体的宏观变量进行初始化设置，所述宏观变量包括密度、温度和速度；
根据所述流体粒子的迁移和碰撞关系建立速度场格子玻尔兹曼分布函数，其形式如下：
fα(x+eαδt,t+δt)-fα(x,t)＝-Ω(fα(x,t)-fα eq(x,t))；
根据所述流体粒子的迁移和碰撞关系建立温度场格子玻尔兹曼分布函数，其形式如下：
gα(x+eαδt,t+δt)-gα(x,t)＝-Q(gα(x,t)-gα eq(x,t))；
其中，x为流体粒子的位置，eα为流体粒子的运动方向，t为时间，δt为时间步长，fα为密度分布函数，fα eq为平衡态密度分布函数，Ω为密度碰撞函数，gα为温度分布函数，gα为平衡态温度分布函数，Q为温度碰撞函数。
本公开的一种示例性实施例中，所述计算流体的宏观变量包括：
根据所述密度分布函数、所述温度分布函数、以及所述流体粒子的运动方向计算所述流体的宏观变量；
其中，所述流体的宏观变量的计算公式为：
其中，ρ为密度，T为温度，u为速度。
本公开的一种示例性实施例中，所述根据所述支撑体的等效直径以及所述流体粒子的宏观变量计算所述流体的雷诺数包括：
根据所述支撑体的等效直径以及所述流体的速度和粘度计算所述流体的雷诺数。
本公开的一种示例性实施例中，所述流体的雷诺数的计算公式为：
Re＝UDen/ν；
其中，Re为流体的雷诺数，U为流体的速度，Den为支撑体的等效直径，ν为流体动力粘度。
本公开的一种示例性实施例中，所述对流换热系数的经验关系式为：
Nu＝0.057×(1-ε)-0.644·Re0.786·Pr1/3；
其中，Nu为对流换热系数，ε为孔隙率且ε＝0.637～0.929，Re为雷诺数且Re＝0.01～30，Pr为普朗特数。
本公开的一种示例性实施例中，所述确定方法还包括：
在所述边界分布函数不满足所述收敛条件时，重新获取所述流体的宏观变量、所述流体的雷诺数、以及所述边界分布函数，直至所述边界分布函数满足所述收敛条件。
本公开示例性实施方式所提供的多孔介质的对流换热系数的确定方法，以随机生成的三维多孔介质为研究对象，通过格子玻尔兹曼模型(Lattice Boltzmann Model，LBM)对该三维多孔介质与流体之间的对流换热特性进行分析，以得到随机三维多孔介质的对流换热系数关联式。一方面，通过LBM分析所得到的对流换热系数的计算方法简单有效且精度较高；另一方面，由于该三维多孔介质中的多孔结构和粒径分布具有随机性，本示例在分析其对流换热特性时充分考虑了组成该三维多孔介质的颗粒随机性以及孔隙率对其对流换热过程的影响，因此具有良好的通用性。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示意性示出本公开示例性实施例中多孔介质的对流换热系数的确定方法流程图；
图2示意性示出本公开示例性实施例中随机三维多孔介质的生成方法流程图；
图3示意性示出根据图2中随机三维多孔介质的生成方法所生成的随机三维多孔介质的结构示意图；
图4示意性示出本公开示例性实施例中三维多孔介质的实验样品示意图；
图5示意性示出本公开示例性实施例中多孔介质非稳态实验的实验系统示意图；
图6示意性示出本公开示例性实施例中基于经验关系式、非稳态实验、以及Nagatak实验所得到的对流换热系数对比图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。
此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
本示例实施方式提供一种多孔介质的对流换热系数的确定方法，如图1所示，该对流换热系数的确定方法可以包括：
S1、基于过程重构技术生成随机三维多孔介质并获取该随机三维多孔介质中组成多孔骨架的支撑体的等效直径；
S2、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；
S3、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流体的雷诺数；
S4、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该边界分布函数是否满足收敛条件，以在该边界分布函数满足收敛条件时结束计算；
S5、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、所述流体的雷诺数、以及普朗特数进行拟合，以得到随机三维多孔介质的对流换热系数的经验关系式。
本公开示例实施方式所提供的多孔介质的对流换热系数的确定方法，以随机生成的三维多孔介质为研究对象，通过LBM对该三维多孔介质与流体之间的对流换热特性进行分析，以得到随机三维多孔介质的对流换热系数关联式。一方面，通过LBM分析所得到的对流换热系数的计算方法简单有效且精度较高；另一方面，由于该三维多孔介质中的多孔结构和粒径分布具有随机性，本示例在分析其对流换热特性时充分考虑了组成该三维多孔介质的颗粒随机性以及孔隙率对其对流换热过程的影响，因此具有良好的通用性。
下面结合附图对本示例实施方式所提供的多孔介质的对流换热系数的确定方法进行详细的说明。
在步骤S1中，基于过程重构技术生成随机三维多孔介质并获取该随机三维多孔介质中组成多孔骨架的支撑体的等效直径。
本示例实施方式中，所述随机三维多孔介质是指多孔骨架或者多孔孔隙的形状、数量、尺寸、以及分布方式均随机的三维多孔介质；其中，组成多孔骨架的支撑体的形状可以包括圆柱体、球体、椭球体、长方体、以及正方体中的任一种，且不限于此，只要该支撑体的形状能够用特定的函数曲线进行表达即可。
以所述支撑体的形状为圆柱体为例，如图2所示，所述随机三维多孔介质的生成方法可以包括如下步骤：
S101、给定计算区域及符合高斯分布的圆柱直径和数量；
S102、随机生成两个数作为第一个圆柱中心的位置坐标(x1,y1)并获取第一个圆柱的位置信息；
S103、随机生成两个数作为第N(N＞1)个圆柱中心的位置坐标(xN,yN)；
S104、判断第N个圆柱中心与已有圆柱中心的距离，若该距离满足非重叠的条件限制，则接受该圆柱并获取该第N个圆柱的位置信息，否则重复步骤S103；
S105、重复上述步骤S103-S104，直至达到规定的圆柱数量则结束计算，以得到所需的随机三维多孔介质。
其中，根据上述方法生成的随机三维多孔介质的结构如图3所示。由此可知，在图3示出的四种三维多孔介质结构中，圆柱的尺寸以及分布方式各不相同，但据其生成方法可知，各个三维多孔介质中的圆柱的尺寸及数量均满足高斯分布。
需要说明的是：以上仅以圆柱体的多孔骨架为例对三维多孔介质的随机生成过程进行了示例性说明，但组成多孔骨架的支撑体的形状和数量均可变，且其尺寸及分布方式也不尽相同，这里不再赘述。
在此基础上，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可以通过如下方法进行获取，即：根据随机三维多孔介质中组成多孔骨架的支撑体的数量和尺寸计算该支撑体的等效直径。其中，所述等效直径的计算公式为：
在公式(1)中，Den为组成多孔骨架的支撑体的等效直径，D为组成多孔骨架的支撑体的尺寸，n为组成多孔骨架的支撑体的数量，h(D)为尺寸D的密度分布函数。
需要说明的是：在本示例实施方式中，组成多孔骨架的支撑体的等效直径是指所有组成多孔骨架的支撑体的平均直径。
在步骤S2中，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。
本示例实施方式中，在建立LBM分布函数之前，先要进行初始化设置，即：对流体的宏观变量，流体粒子的密度分布函数和平衡态密度分布函数，以及流体粒子的温度分布函数和平衡态温度分布函数进行初始条件设置。其中，所述流体的宏观变量可以包括流体的密度、温度、以及速度等。
基于此，根据LBM模型中流体粒子的迁移和碰撞关系分别建立速度场LBM分布函数和温度场LBM分布函数。
所述速度场LBM分布函数的形式如下：
fα(x+eαδt,t+δt)-fα(x,t)＝-Ω(fα(x,t)-fα eq(x,t)) (2)；
所述温度场LBM分布函数的形式如下：
gα(x+eαδt,t+δt)-gα(x,t)＝-Q(gα(x,t)-gα eq(x,t)) (3)；
其中，x为流体粒子在LBM模型中的位置，eα为流体粒子的运动方向，t为时间，δt为时间步长，fα为密度分布函数，fα eq为平衡态密度分布函数，Ω为密度碰撞函数，gα为温度分布函数，gα eq为平衡态温度分布函数，Q为温度碰撞函数。
在此基础上，根据上述的密度分布函数fα、温度分布函数gα、以及流体粒子的运动方向eα即可计算出流体的宏观变量，例如流体的密度、速度和温度。
所述流体的密度计算公式为：
所述流体的动量计算公式为：
所述流体的温度计算公式为：
其中，ρ为流体的密度，u为流体的速度，T为流体的温度。
在步骤S3中，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流体的雷诺数。
本示例实施方式中，所述流体的雷诺数是用于衡量流体惯性力与黏性力比值的量度，其可根据组成多孔骨架的支撑体的等效直径以及流体的速度和粘度进行计算，具体计算公式如下：
Re＝uDen/ν (7)；
其中，Re为流体的雷诺数，u为流体的速度，Den为组成多孔骨架的支撑体的等效直径，ν为流体动力粘度。
在步骤S4中，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该边界分布函数是否满足收敛条件，以在该边界分布函数满足收敛条件时结束计算。
在LBM模型中，边界的分布函数是未知的，因此需要根据宏观的物理量来对边界分布函数进行构建。例如，针对无滑移壁面的速度场边界分布函数可以通过反弹格式进行构建。
在此基础上，针对所构建的边界分布函数需要进行收敛性判断。如果该边界分布函数满足收敛条件，则结束计算；如果该边界分布函数不满足收敛条件，则需重复上述步骤S2-S3，即重新获取流体的宏观变量、流体的雷诺数、以及边界分布函数，直至所构建的边界分布函数满足所述收敛条件为止。
在步骤S5中，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、所述流体的雷诺数、以及普朗特数进行拟合，以得到随机三维多孔介质的对流换热系数的经验关系式。
其中，所述对流换热系数的经验关系式为：
Nu＝0.057×(1-ε)-0.644·Re0.786·Pr1/3 (8)；
其中，Nu为对流换热系数，ε为孔隙率且ε＝0.637～0.929，Re为雷诺数且Re＝0.01～30，Pr为普朗特数。
本示例实施方式中，所述对流换热系数是以努塞尔数Nu来进行表征的，其可用于衡量对流换热的强烈程度。所述三维多孔介质的孔隙率ε可以通过所有孔隙的体积与多孔介质的总体积之比来获取。所述普朗特数Pr用于表示温度边界层与流动边界层的关系，其可反映出流体的物理性质对于对流传热过程的影响，针对三维多孔介质，该普朗特数的经验值通常设为1/3。
根据本示例实施方式所得到的三维多孔介质的对流换热系数的经验关系式，不仅算法简单，而且精度较高。基于此，针对孔隙率和雷诺数已知的工况，只需将参数代入上述的经验关系式即可确定对流换热系数，因此可以省略通过计算程序对多孔结构的对流换热系数进行复杂计算的过程。
为了验证基于LBM模型得到的随机三维多孔介质的对流换热系数的准确性，下面基于图4所示的三维多孔介质400(直径12mm、厚度2mm)样品，在孔隙率ε＝0.41、雷诺数Re＝1～6的条件下，针对本示例所提供的经验关系式、本示例所采用的多孔介质非稳态实验(实验系统如图5所示)、以及Nagata k等人的研究所得到的对流换热系数进行对比分析，其对比结果呈现在图6所示的对流换热系数Nu随雷诺数Re的变化关系图中。其中，本示例所提供的多孔介质非稳态实验的实验系统图中包括高压空气瓶501、与高压空气瓶501相连接的质量流量控制计502、与质量流量控制计502相连接的微多孔介质503、用于对微多孔介质503进行加热的电加热器504、与微多孔介质503相连接的数据采集装置505、与数据采集装置505相连接的显示器506、以及与质量流量控制计502相连接且与微多孔介质503反向的旁通管道507等。
根据图6所示，本示例实施方式所提供的经验关系式的模拟结果为图中线条所示，本示例实施方式的多孔介质非稳态实验结果为图中黑点所示，Nagata k等人的实验结果为图中空心点所示。由此可知，本示例实施方式所提供的经验关系式的模拟结果不仅与多孔介质非稳态实验结果具有良好的吻合性，而且与agata k等人的研究结果也基本一致，从而验证了本示例实施方式的准确性和可靠性。
应当注意，尽管在上文详细描述中提及了用于动作执行的设备的若干模块或者单元，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本公开的实施方式，上文描述的两个或更多模块或者单元的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之，上文描述的一个模块或者单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块或者单元来具体化。
此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本公开中方法的各个步骤，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些步骤，或是必须执行全部所示的步骤才能实现期望的结果。附加的或备选的，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，以及/或者将一个步骤分解为多个步骤执行等。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其他实施例。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限。
Claims (10)
1.一种多孔介质的对流换热系数的确定方法，其特征在于，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。
2.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，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。
3.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述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包括：
根据所述随机三维多孔介质中组成所述多孔骨架的支撑体的数量和尺寸计算所述支撑体的等效直径。
4.根据权利要求3所述的确定方法，其特征在于，所述支撑体的等效直径的计算公式为：
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其中，Den为支撑体的等效直径，D为支撑体的尺寸，n为支撑体的数量，h(D)为尺寸D的密度分布函数。
5.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述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包括：
针对所述流体粒子的密度分布函数和平衡态密度分布函数，所述流体粒子的温度分布函数和平衡态温度分布函数，以及所述流体的宏观变量进行初始化设置，所述宏观变量包括密度、温度和速度；
根据所述流体粒子的迁移和碰撞关系建立速度场格子玻尔兹曼分布函数，其形式如下：
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根据所述流体粒子的迁移和碰撞关系建立温度场格子玻尔兹曼分布函数，其形式如下：
gα(x+eαδt,t+δt)-gα(x,t)＝-Q(gα(x,t)-gα eq(x,t))；
其中，x为流体粒子的位置，eα为流体粒子的运动方向，t为时间，δt为时间步长，fα为密度分布函数，fα eq为平衡态密度分布函数，Ω为密度碰撞函数，gα为温度分布函数，gα为平衡态温度分布函数，Q为温度碰撞函数。
6.根据权利要求5所述的确定方法，其特征在于，所述计算流体的宏观变量包括：
根据所述密度分布函数、所述温度分布函数、以及所述流体粒子的运动方向计算所述流体的宏观变量；
其中，所述流体的宏观变量的计算公式为：
<mrow>
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其中，ρ为密度，T为温度，u为速度。
7.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述根据所述支撑体的等效直径以及所述流体粒子的宏观变量计算所述流体的雷诺数包括：
根据所述支撑体的等效直径以及所述流体的速度和粘度计算所述流体的雷诺数。
8.根据权利要求7所述的确定方法，其特征在于，所述流体的雷诺数的计算公式为：
Re＝UDen/ν；
其中，Re为流体的雷诺数，U为流体的速度，Den为支撑体的等效直径，ν为流体动力粘度。
9.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述对流换热系数的经验关系式为：
Nu＝0.057×(1-ε)-0.644·Re0.786·Pr1/3；
其中，Nu为对流换热系数，ε为孔隙率且ε＝0.637～0.929，Re为雷诺数且Re＝0.01～30，Pr为普朗特数。
10.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述确定方法还包括：
在所述边界分布函数不满足所述收敛条件时，重新获取所述流体的宏观变量、所述流体的雷诺数、以及所述边界分布函数，直至所述边界分布函数满足所述收敛条件。
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108229034A (zh) * | 2018-01-08 | 2018-06-29 | 中国恩菲工程技术有限公司 | 矿山井下物流运输的仿真方法及系统、装置 |
| CN109871623A (zh) * | 2019-02-25 | 2019-06-11 | 西安交通大学 | 一种多孔介质模型设计方法 |
| CN110348059A (zh) * | 2019-06-12 | 2019-10-18 | 西安交通大学 | 一种基于结构化网格的通道内流场重构方法 |
| CN111751403A (zh) * | 2020-06-02 | 2020-10-09 | 上海交通大学 | 一种热障涂层数值重构模型测试方法和装置 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1588023A (zh) * | 2004-09-10 | 2005-03-02 | 北京航空航天大学 | 一种对流换热系数的测试方法及其对流换热系数传感器 |
| CN105389457A (zh) * | 2015-09-21 | 2016-03-09 | 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司 | 一种空气预冷、预热混凝土骨料瞬态温度的确定方法 |
-
2017
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1588023A (zh) * | 2004-09-10 | 2005-03-02 | 北京航空航天大学 | 一种对流换热系数的测试方法及其对流换热系数传感器 |
| CN105389457A (zh) * | 2015-09-21 | 2016-03-09 | 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司 | 一种空气预冷、预热混凝土骨料瞬态温度的确定方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| PEIPEI YANG等: "《Heat transfer characteristics in random porous media based on the 3D lattice Boltzmann method》", 《INTERNATIONAL JOURNAL OF HEAT AND MASS TRANSFER》 * |
| 杨培培: "《基于LBM的传输过程模拟及在多孔介质中的应用研究》", 《中国博士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》 * |
| 王平 等: "《三维有序排列多孔介质对流换热的数值研究》", 《物理学报》 * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108229034A (zh) * | 2018-01-08 | 2018-06-29 | 中国恩菲工程技术有限公司 | 矿山井下物流运输的仿真方法及系统、装置 |
| CN109871623A (zh) * | 2019-02-25 | 2019-06-11 | 西安交通大学 | 一种多孔介质模型设计方法 |
| CN110348059A (zh) * | 2019-06-12 | 2019-10-18 | 西安交通大学 | 一种基于结构化网格的通道内流场重构方法 |
| CN111751403A (zh) * | 2020-06-02 | 2020-10-09 | 上海交通大学 | 一种热障涂层数值重构模型测试方法和装置 |
| CN111751403B (zh) * | 2020-06-02 | 2023-06-30 | 上海交通大学 | 一种热障涂层数值重构模型测试方法和装置 |
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