表面蒸发对环形液池内稳态热毛细对流的影响

为了解表面蒸发对环形液池内热毛细对流的影响,对4℃冷水在其纯蒸汽环境中蒸发时的热毛细对流进行了数值模拟。结果表明,表面蒸发质量通量与液池内热毛细对流相互耦合,随着蒸发Biot数的增加,表面温度降低,热壁附近蒸发质量通量增大,但冷壁附近蒸发质量通量与Marangoni数密切相关;当Marangoni数较小时,蒸发界面无因次总蒸发质量随蒸发Biot数的增加而增大,当Marangoni数较大时,总蒸发质量随蒸发Biot数先增大、后减小;随着液池深宽比和半径比的增加,流动增强,总蒸发质量也增加。     

旋转和磁场耦合作用对振荡Marangoni-热毛细对流的影响

双向温度梯度下环形浅液池内的硅熔体中会形成Marangoni-热毛细对流,当其中一个温度梯度超过临界值时,流动会变成三维振荡流动,同时,自由表面上的辐射换热还会使流动变得更加复杂。为了寻找有效削弱三维振荡流动的方法,通过三维数值模拟分别研究了只有液池旋转、只有轴向磁场和两者耦合时环形浅液池内的Marangoni-热毛细对流。结果表明,液池旋转和轴向磁场都可以对Marangoni-热毛细对流产生一定的削弱作用,而两者的耦合会相互促进。考虑到磁场的负面效果,在尽量小的磁场强度下获得了维持轴对称稳态流动的最佳参数组合。     

受限方腔内绕流两圆管强制对流换热的数值研究

针对热电冷综合利用系统中的集热箱,抽象出一个受限方腔内两圆管的强制对流换热问题并进行了数值研究.分别对不同雷诺数Re以及不同管间距s的情况进行数值模拟.结果表明,Re较小时流体流动与换热随时间变化,最后趋于一个稳定的对称状态;当Re增加至一定值后,流体流动与换热随时间变化,处于非对称状态.随着Re的增加,流动出现振荡,流体与圆管壁面换热不断增强,计算得到的解从定态解发展为周期性振荡解、多倍周期振荡解,最终发展为混沌.对于不同管间距s,当Re≤150时,管子间距的不同对受限腔内的换热影响不是很大;当200≤Re300时,管间距s对于流动与换热有较大的影响;但当Re≥300之后,管间距s对换热影响较小.     

流体动力粘度对液封液桥内Marangoni对流的影响

建立了具有液封的液桥(不相溶混的双层同轴液柱)内的Marangoni对流的物理模型和数学模型.采用涡量-流函数法用有限差分格式对微重力条件下具有液封的液桥内Marangoni对流进行了数值模拟,得到了双层液柱主流区的温度场和流场,找出了内、外层流体动力粘度之比对双层同轴液柱内的热毛细对流的作用规律.     

扩缩通道内流动和换热非线性特性的数值模拟

对扩缩通道内流动与换热进行了数值模拟并探讨了其中的非线性特性.通过对不同突扩比ER、不同长宽比AR及不同雷诺数Re下通道内流场和温度场进行分析,给出在一定工况下对称通道内流体的流动和换热会出现偏斜等非线性现象的情况.数值模拟结果表明,存在临界雷诺数Rec使流体流动和换热形态发生转变,当Re超过Rec时,流体流动和换热不仅有对称解,还有非对称解;当Re继续增大时,流体流动和换热出现振荡.通道的几何尺寸及后缩段(表现为ER及AR)都对Rec产生影响.分析结果表明,当Re超过临界雷诺数Rec时,同一截面处上下壁面的局部努塞尔数Nu也由对称向非对称转变,上下壁面出现最大局部Nu的位置也不同.     

圆内开缝圆环形空间自然对流的格子Boltzmann模拟

采用耦合热格子Boltzmann模型,对圆内开缝圆环形空间自然对流进行了数值模拟,分析了瑞利数Ra(10~4≤Ra≤10~6)和开缝度S(0.1≤S≤0.4)对环形空间内流动与换热的影响。模拟结果表明:随着瑞利数增加,环形空间内自然对流换热会出现较强的不稳定性,流型转化也较丰富,存在4种流型,稳定的二涡流、四涡流、二涡流和四涡流之间振荡的交变流以及振荡的二涡流;此外,开缝度的改变对环形空间内自然对流换热影响是显著的。随着开缝度的增大,流体更易形成多涡流型,进而增强流体扰动,流动不稳定性增强;另外,增大开缝度虽能增强环形空间内自流换热,但不是开缝度越大越好,而是存在一个最佳临界开缝度。     

细长坩埚内分离结晶过程中熔体流型的转变

在微重力条件下,采用有限差分法对细长坩埚（无因次高径比A取2）内分离结晶生长CdZnTe晶体过程中的熔体热毛细对流进行了三维数值模拟。选取狭缝宽度B为0.1、0.075及0.05,考虑熔体顶部为固壁边界条件,得到了分离结晶过程中熔体热毛细对流的速度和温度分布,着重分析了熔体内部流型的转变过程。结果表明：当Marangoni数较小时,在下自由表面的表面张力作用下,熔体内部会产生顺时针方向的流胞,熔体的流动为稳态且流动较弱,但随着Ma数的增大,熔体的流动范围逐渐增大并且强度不断增强,熔体内部温度的非线性分布逐渐加剧;当Marangoni数超过某一临界值后,熔体内部的流动将由稳态转变为非稳态。     

挡板结构对微混合器内流动与混合的影响

对内置3种不同挡板的T型微混合器内的流动与混合进行数值模拟,比较流动与混合的发展过程,分析不同挡板结构的对流作用机理以及混合随通道长度方向的发展变化.讨论了不同雷诺数(Re)下,挡板结构对混合强度与压力损失的影响.结果表明,在5Re≤90范围内,3种挡板结构产生的混合强度与压力损失均随Re的增大而增大.矩形挡板产生的混合效果最佳,但结合压力损失评价,认为斜面梯形具备最优的综合性能.     

基于格子Boltzmann方法的热毛细对流数值模拟研究

为研究Prandtl(Pr)数和纵横比(Ar)对侧壁差异加热的矩形液池内热毛细对流的影响,利用基于双密度分布函数的格子玻尔兹曼(Boltzmann)方法进行二维数值模拟。引入速度偏离率和偏差温度,分别衡量速度的波动和热毛细对流对温度场的影响。结果表明:热毛细对流随着Pr(0.1~100)的减小或Ar(0.2~2)的增大而增强;当热毛细对流较强时速度的波动也增强了,同时能量在冷壁端部积聚;当其它参数恒定而Pr在10~100范围内变化时,温度场几乎不变;当Ar≥1时,Ar对自由表面的速度和温度分布影响很小。     

二维炉膛气液两相对冲流动数值模拟

以锅炉炉膛选择性非催化还原(SNCR)脱硝为应用背景,抽象出具有对称结构的二维两相流动模型,通过数值模拟,探讨气液两相对冲射流的流动和混合特性。模拟结果表明,由于炉内高速气流的扰动,液体射流并非在所有的雷诺数Re下都能穿透气体区域在模型中心线附近位置汇合。增大Re,液体穿透力增加,两侧对冲的液体射流逐渐可以在模型中汇合。当Re为464 807时,左右两股液体射流出现汇合点;增大Re,汇合点位置上移,上部计算区域气液两相流体混合更加均匀;继续增大Re,汇合点位置变化不大,液相流体因动量过大而流出计算区域,导致两相混合效果变差。在对称结构的炉膛内进行模拟,得到了不对称的气液两相流动,排除物理和几何上的干扰,这可能是问题的非线性所导致的。     

地面分离结晶过程中熔体内部的流动特征

为掌握地面条件下分离结晶过程中熔体内部的流动规律,采用有限差分法对分离结晶生长CdZnTe晶体熔体内热毛细-浮力对流作了三维数值模拟,在计算过程中熔体无量纲高度H取1,无量纲气缝宽度B分别取0.100,0.075,0.050和0.025.结果表明:当Marangoni数较小时,熔体流动呈较弱的稳态流动;随着Marangoni数增加,熔体内部流动逐渐增强,温度梯度逐渐加大;当Marangoni数超过临界值,流动转变成非稳态流动,熔体内部流场和温度场出现振荡;随着气缝宽度减小临界Marangoni数增大.     

环形浅液池内双组分溶液耦合热溶质毛细对流渐近解

采用匹配渐近展开法求解环形浅液池内热溶质耦合毛细对流中心区域渐近解,分析Soret效应和浮力对流动的影响。结果表明,当不考虑溶质毛细力和浓度的不均匀引起的浮力作用时,该解与环形浅液池内纯工质热毛细浮力对流或热毛细对流的渐近解完全一致;在浅液池内,浮力的影响较小,耦合的热溶质毛细力对流动过程起主导作用;当各种耦合的驱动力作用方向相同时,流动加强,相反,一旦存在反向的情况,则流动必然相互削弱。     

薄层液膜毛细对流换热问题初探

本文讨论了水平流道上薄层液膜的热毛细对流换热问题;在列维奇的热毛细对流模型基础上,考虑了液膜厚度方向的温度梯度;分析了线性流动模型和回流流动模型。采用有限差分法对薄膜内的流动特性和通过液膜热量传递的强弱进行了定量分析,预测了液膜流动与换热强弱之间的依赖关系,求得了无量纲数M(=Re·Pr)与毕渥数B_i和壁面温度梯度之间的变化关系。通过对无水乙醇进行的实验测定,测得了液膜表面流动速度与液膜温度梯度之间的关系。实验结果与数值预测基本一致,偏差值约20%。     

环形液池内低Pr数流体热毛细对流的线性稳定性

利用线性稳定性理论分析了低Pr数(Pr=0.011)流体在环形液池内的热毛细对流,以此了解环形液池内热毛细对流的转变特性.液池外壁被加热,内壁被冷却,底部固壁和顶部自由表面均绝热.结果表明,随着液池深宽比的增加,临界Marangoni数和临界波数都逐渐减小,且当液池深宽比超过0.12后,临界波数基本不变;随着液池内外半径比的增加,临界Marangoni数会逐渐减小,但变化幅度不大,而临界波数有一个大的增加.     

水平管外降膜流动液膜厚度数值模拟

建立了水平管外液体降膜流动过程的物理数学模型并对其进行了数值模拟研究,将模拟结果与文献中的理论值和实验值做了比较,变化趋势吻合较好.通过计算不同雷诺数下沿管壁周向的液膜厚度及液膜分布情况,分析了结构和流动参数对液膜厚度与分布的影响规律.结果表明:液膜厚度随雷诺数的增大而增大;当雷诺数一定时,管壁周向液膜厚度呈先减小后增大趋势并随管间距的增大而减小,并且随着雷诺数的增大,管壁周向液膜波动增大且易出现"干区".     

溢流式布膜铝板液膜厚度和润湿特性实验研究

为了探索高雷诺数(Re700)时平板降膜厚度规律和溢流式布膜方式下的润湿特性,设计并搭建了垂直铝板降膜实验台,采用电容测厚技术测量了Re为660～1 390时冷态水膜瞬时厚度的变化情况。利用文献数据着重分析了流动长度和Re对平均液膜厚度的影响,并通过图像处理法计算了加湿过程的润湿面积。实验结果表明:在研究工况范围内,随着Re的增大,液膜厚度的最大值、最小值、平均值、标准偏差、波动振幅均存在上升趋势;不同流动长度处液膜厚度存在较大差异,拟合出流动长度L为0.43 m处的平均液膜厚度的经验关联式,计算值和实验值的相对误差控制在±6%范围内;层流向紊流转换的临界Re约为500,临界Re之后的平均液膜厚度随Re的增长速率要高于之前的;在Re为15～200时,润湿比随着Re增加呈现波动增大的趋势,预测平板最小润湿流量约为0.27。     

周期加热对倾斜槽道对流特性的影响

利用二维流体力学基本方程进行数值模拟,讨论了Pr=6.99的流体的对流斑图及其相关特性。在长高比Γ=40的倾斜放置的矩形槽道中,设定倾斜角度20°,左侧具有通过流动且底部周期加热。结果表明:周期加热与通过流动作用下,相对Rayleigh数一定时,Reynolds数增大对流强度减弱,Nusselt数减小,对流稳定所用时间先增长后缩短,槽道内最大垂直流速增大。Reynolds数一定时,相对Rayleigh数增大对流强度增强,Nusselt数增大,对流稳定所用时间增长,槽道内最大垂直流速增大,二分之一槽道高度处垂直流速增大。     

管内流体温度对给热系数影响的实验研究

在对管内流体与管壁的对流传热过程研究及工程应用中,对流给热系数(h)是一个重要的参数,给热系数h大小主要取决于流体的物性参数及流动状态。本文针对管内流体在非常缓慢流动,且流动状态不变条件下,实验研究了流体温度对给热系数的影响。得出管内流体在雷诺数Re=6下的给热系数h受到了流体温度的显著影响;流体温度升高,给热系数增大。管内流体的给热系数h与流体温度T呈拟线性关系,具体的实验数学模型为:h(T)=-18.89 0.8783T。     

竖直平板表面流动液膜厚度的实验研究

液膜厚度是研究液膜流动特性的重要参数,为了得到液膜流动过程中厚度的变化规律,对竖直平板表面上由重力驱动的水膜流动进行实验测量。自主设计并搭建降液膜流动实验台,利用电容式液膜测厚仪统计分析层流流动,距离入口25cm处的流动液膜厚度随时间的演化状况。实验结果表明：在时间域上,观测点的液膜厚度值不断发生变化。Re=297时,0至70 s内的流动液膜的波动性平稳,厚度平均值接近168.5um 。Re=462与Re=627时,在0至40 s时间段内波动较强烈,40至70 s的液膜流动趋于平稳状态。Re=814时,所测时间段0-70 s,液膜波动较剧烈,波动幅度增大。液膜厚度与雷诺数呈正线性相关关系。当Re=814时,每个时间点的液膜厚度在360um以上,高于其他三种不同雷诺数时的液膜厚度。高雷诺数时液膜的波动状况更加剧烈,减小雷诺数有利于形成光滑的液膜。从侧面体现出流动液膜具有不稳定性。     

晶体旋转对浅层内热毛细对流的影响

为了了解微重力下水平温度梯度作用时晶体旋转对Czochralski结构浅液池内硅熔体热毛细对流的影响,利用有限差分法进行了非稳态三维数值模拟,坩埚外壁被加热,半径为50 mm,晶体半径为15 mm,液池深度为3 mm,坩埚外壁与生长界面温差为16 K.模拟结果表明,晶体无旋转时,熔体表面会出现稳定的轮型,当晶体转速较低时,表面轮型会随晶体慢速旋转;当晶体转速超过4 r/min后,表面轮型运动速度发生突变,此时将出现热流体波.