【摘 要】
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受新发展理念影响,能源结构面临调整,地热资源等新型清洁能源受到了广泛关注。多孔介质对流换热过程是地热开采中的基础物理过程,同时也是核废料填埋、石油勘探等实际工程问题中的基本物理过程。因此对多孔介质中的渗流换热过程进行数值研究具有重大意义。离散统一气体动理学格式（DUGKS）方法是一种新的介观方法,在描述不可压流动时具有高稳定性且数值耗散低的特点。然而已有的DUGKS在表征体元（REV）尺度内的研究
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受新发展理念影响,能源结构面临调整,地热资源等新型清洁能源受到了广泛关注。多孔介质对流换热过程是地热开采中的基础物理过程,同时也是核废料填埋、石油勘探等实际工程问题中的基本物理过程。因此对多孔介质中的渗流换热过程进行数值研究具有重大意义。离散统一气体动理学格式（DUGKS）方法是一种新的介观方法,在描述不可压流动时具有高稳定性且数值耗散低的特点。然而已有的DUGKS在表征体元（REV）尺度内的研究仅限于等温不可压渗流。据此,本文以完善DUGKS框架为目的,开展了以下研究:（1）基于局部热平衡假设,结合通用渗流模型,提出了一种耦合DUGKS方法,将DUGKS拓展至REV尺度的多孔介质非等温渗流过程中。通过模拟多孔管内混合对流、多孔介质方腔内的自然对流以及部分填充多孔介质方腔内的自然对流问题验证了方法的准确性。计算结果和已有文献中的基准解、实验数据均吻合的良好。另外,我们发现耦合DUGKS具有二阶精度,且具有很好的稳定性,可以灵活使用非均匀网格。（2）研究了三维多孔介质方腔内的自然对流,给出了Darcy-Rayeigh数（Ram）高达10~8时多孔介质方腔内的流动、传热分布特征和热壁面上的局部平均Nusselt数（Num）的分布。结果显示随着Ram增加,等温壁面附近的温度、速度边界层越来越薄,Da=10-2,Ram=10~8时失去层流特征。等温壁面上的Num分布显示三维结构阻碍了等温壁面边界处的传热。另外,我们基于计算的结果给出了Ram≥10~4时Ram和全局平均Nusselt数（Nu0）之间的指数依赖关系。（3）将所提出的耦合DUGKS拓展至有内热源的非等温渗流过程,并使用该方法研究了二维和三维发热多孔腔体内的自然对流现象,探究温差和内热源双重作用下渗流场内的传热分布。从传热、流线分布特征可发现,内部热源的出现使得渗流场内的等温线和流线都表现出了非对称性。随着内部瑞利数RaI的增加,等温壁面附近的温度梯度越来越大,多孔腔体内部温度越来越高,场内最高温度的位置从等温侧壁移向绝热顶部。基于二维的计算结果,我们给出了RaI-Nu线性拟合关系式。另外,从三维结构中热壁上的局部平均Nusselt数Num分布可看出,不同RaI下等温壁面上Num的最大值出现的位置不固定。
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