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1、傳熱與傳質(zhì)過程中Rayleigh-Bénard對(duì)流的模擬SimulationofRayleigh-BénardconvectioninHeatandMassTransferProcess學(xué)科專業(yè)：化學(xué)工程作者姓名：陳曼指導(dǎo)教師：曾愛武副研究員天津大學(xué)化工學(xué)院二零一七年五月萬方數(shù)據(jù)獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得天津大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已
2、在論文中作了明確的說明并表示了謝意。學(xué)位論文作者簽名：簽字日期：年月日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解天津大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。特授權(quán)天津大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。（保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明）學(xué)位論文作者簽名：導(dǎo)師簽名：簽字日期：年月日簽字日期：年月萬方數(shù)據(jù)摘要Rayleigh-Bénard對(duì)流常見于自然界和各種工程應(yīng)用中，并受到廣泛研究，常由溫度場(chǎng)或濃度場(chǎng)的不均勻性引發(fā)
3、。傳熱與傳質(zhì)過程，尤其對(duì)應(yīng)Rayleigh-Bénard對(duì)流過程，具有一定相似性。一些Rayleigh-Bénard對(duì)流在傳熱（如自然對(duì)流）中已經(jīng)廣泛應(yīng)用的分析方法或理論，如熵產(chǎn)率分析，有望用于解決界面?zhèn)髻|(zhì)領(lǐng)域的問題。而本文的研究成功例證了這一思路：首次將熵產(chǎn)分析引入到對(duì)界面?zhèn)髻|(zhì)Rayleigh-Bénard對(duì)流的研究并提出新的觀點(diǎn)。這對(duì)引入更多新研究角度或分析方法到界面?zhèn)髻|(zhì)Rayleigh-Bénard對(duì)流研究中具有一定啟發(fā)意義。對(duì)于傳熱Rayleigh-Bénard對(duì)流的研究中，通過與文獻(xiàn)比較，全面的驗(yàn)證了基于ANSYSFluent無量綱模擬
4、穩(wěn)態(tài)對(duì)流的可靠性。在此基礎(chǔ)上，對(duì)方腔內(nèi)變物性低Pr數(shù)流體自然對(duì)流進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)熱導(dǎo)率對(duì)局部傳熱熵產(chǎn)率分布影響最大，且變物性對(duì)平均Nu數(shù)影響可能存在協(xié)同或抵消作用。最后借助量階分析和均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)得到各物性對(duì)平均Nu數(shù)的通用半理論半經(jīng)驗(yàn)數(shù)學(xué)表達(dá)式。對(duì)于傳質(zhì)Rayleigh-Bénard對(duì)流的研究，基于ANSYSFluent對(duì)CO2-乙醇吸收體系的界面?zhèn)髻|(zhì)Rayleigh-Bénard對(duì)流進(jìn)行原始變量數(shù)值模擬，在對(duì)流過程與傳質(zhì)效果分析中發(fā)現(xiàn)新生對(duì)流胞極大地強(qiáng)化傳質(zhì)過程。首次得到Rayleigh-Bénard對(duì)流中質(zhì)量傳遞和粘性耗散這兩個(gè)不可逆過程的熵產(chǎn)
5、率，并從非平衡熱力學(xué)角度對(duì)其進(jìn)行分析。液層中局部傳質(zhì)和粘性熵產(chǎn)率均出現(xiàn)特征分布，并對(duì)其進(jìn)行成因分析。全局傳質(zhì)和粘性熵產(chǎn)率隨時(shí)間變化在對(duì)流前后，即對(duì)應(yīng)分子擴(kuò)散主導(dǎo)階段和對(duì)流主導(dǎo)階段，分別呈現(xiàn)出不同趨勢(shì)。相對(duì)于純擴(kuò)散過程，Rayleigh-Bénard對(duì)流的引發(fā)改變了系統(tǒng)不可逆過程路徑而實(shí)現(xiàn)傳質(zhì)強(qiáng)化，體現(xiàn)為全局總熵產(chǎn)率隨時(shí)間的差異性變化。本文的創(chuàng)新性主要有三點(diǎn)：首次將熵產(chǎn)分析引入到界面?zhèn)髻|(zhì)Rayleigh-Bénard對(duì)流研究中，提供了基于非平衡熱力學(xué)的新研究視角；將熱函數(shù)推廣到變物性自然對(duì)流中，提出描述流體流動(dòng)的動(dòng)量流函數(shù)，解決流函數(shù)對(duì)可壓縮流體的
6、不適用性；驗(yàn)證了基于ANSYSFluent無量綱模擬的可靠性，并提出界面?zhèn)髻|(zhì)Rayleigh-Bénard對(duì)流的相關(guān)變量無量綱化的初級(jí)方案，為進(jìn)一步無量綱研究提供了基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：Rayleigh-Bénard對(duì)流，自然對(duì)流，界面?zhèn)髻|(zhì)，變物性，無量綱化，熵產(chǎn)分析，非平衡熱力學(xué)I萬方數(shù)據(jù)ABSTRACTRayleigh-Bénardconvectioniscommoninnatureandengineeringapplicationsandhasbeenextensivelystudied,oftencausedbytheinhomogeneityo
7、ftemperaturefieldorconcentrationfield.Heatandmasstransferprocess,especiallytheircorrespondingRayleigh-Bénardconvectionprocess,hassimilaritiestosomeextent.SomeanalyticalmethodsandtheoriesofRayleigh-Bénardconvectionlikeentropygenerationanalysiswidelyusedinheattransferprocess,su
8、chasnaturalconvection,arepotentialtosolvesomeproblemsininterfacialma
