泡沫碳化硅填料内的流场模拟及结构优化

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多孔泡沫碳化硅是一种新型的功能陶瓷材料,其具有耐高温、高强度、化学惰性、低膨胀、高热导率等特点,又具有比表面积大、孔径均匀可控等优良特性,因而被广泛地应用于化工、环保、电子、能源等众多领域。本文对一种新型的泡沫碳化硅填料进行研究,该填料综合了泡沫碳化硅的优良特性与波纹规整填料高效率、低压降等优势。本文通过引入表征体元概念及体积平均元原则,忽略泡沫SiC波纹板的真实骨架结构,建立了宏观整体模型及介观特征单元模型,采用多孔介质模型对泡沫碳化硅填料内气体的单相流动及波纹片表面液相流动扩散进行模拟计算。采用气相单相流模拟,计算填料的干板压降及影响因素,分析填料内部的流动状况;采用拟两相流模拟,研究了泡沫波纹板结构参数对其内液体的流动特性的影响规律。通过将模拟值与实验值进行对比,验证了所采用的数学方法及物理模型的正确性。研究结果表明,波纹倾角为45度(Y型)的碳化硅填料其压降值较高,填料内部气体速度梯度较大且流动轨迹更为复杂,但该种倾角的泡沫碳化硅波纹片表面液膜横向扩散距离及扩散面积均优于倾角为60度(X型)的波纹片,且二者的液体分布特性均优于丝网波纹填料片。由于Y型碳化硅填料液体分布特性较好、干压降值较高,因此本文提出了一种具有脉冲结构的碳化硅规整填料,即在原波纹板填料内加入垂直的脉冲区,利用波纹倾角的变化与转折,改变填料内流体通道的结构,从而影响填料内流体的流动路径,以达到降低填料压降的目的。通过模拟计算获得脉冲填料内气相的流场特性,并进一步分析了脉冲区结构数目N、脉冲区高度H及脉冲区间距离L对压降的影响。研究结果表明,脉冲区结构的加入能有效改善填料内流体流动的均匀性,减小了传统波纹板结构交叉点处的流动阻力,降低了填料的压降,实现填料结构的优化。计算结果表明,适当增大脉冲区高度H、合理分布脉冲区位置、增加脉冲区个数N,可以有效地降低填料的压降,改善流场分布。
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