湍流Rayleigh-Bénard热对流温度剖面中对数律研究

本文采用湍流热对流的并行直接数值模拟(Parallel Direct Method of Direct Numerical Simulation,PDM-DNS),计算了系列Ra数的二维方腔Rayleigh-Bénard热对流.选取典型Ra=10~(10),Pr=4.3,讨论了流动平均场的近底板区域温度分布.温度边界层沿横向可分为三个区域:羽流发射区、冲击区和大尺度环流剪切区.在羽流发射区温度剖面存在对数律,冲击区和大尺度环流剪切区没有明显的对数律特征.横向平均得到的温度剖面也存在对数律.研究系列Ra数的横向平均温度剖面,得到温度变化满足A×log(y)+B的关系,温度剖面对数律振幅–A和Ra数呈现标度关系–A~Ra~(–0.145),与实验中发现的关系基本一致.     

大涡模拟研究液态金属在环形管道内的湍流换热

使用大涡模拟方法,在雷诺数为Re=8 900和分子普朗特数Pr=0.01,0.026,0.2,0.4,0.71条件下对环形管道内的湍流对流换热过程进行数值模拟,计算分析湍流传热场中的平均温度、温度脉动、湍流热通量及湍流普朗特数Prt等物理量.通过与传统流体(Pr=0.4,0.71)的计算结果进行比较,研究了液态金属流体(Pr=0.01,0.026)的湍流对流换热特性.结果表明,液态金属流体湍流换热过程中分子热传导占主导地位,其湍流温度边界层内的线性区变长、对数律区变短甚至消失,温度脉动、湍流热通量变小.此外,相对于传统流体,液态金属的湍流普朗特数Prt比较大,且对Pr的变化很敏感.     

垂直指数延伸板驻点混合对流与传热研究

研究不可压缩粘性流体在垂直指数延伸壁面上的二维驻点混合对流与传热问题,借助相似变换将边界层控制方程转换为非线性常微分方程,通过打靶法对其进行数值计算,用图表详细分析顺流和逆流时浮力参数λ和Prandtl数Pr对流体流动和传热特性的影响.结果显示:顺流时,表面摩擦系数和Nusselt数均随浮力参数λ的增大而增大;随着Pr数增大,Nusselt数增大而表面摩擦系数减小.逆流时,表面摩擦系数和Nusselt数均随浮力参数λ的增大而减小,随Pr增大而增大.     

不同Ra数下隔板Rayleigh-Bénard对流系统的流动和增强传热特性

本文计算研究Ra数对隔板对流系统的流动和增强传热特性的影响.对于无量纲的狭缝高度d=0.02,传热通道的无量纲速度U和温度TD数随Ra数的变化有两个阶段,低Ra数时U随Ra数增高而上升, TD数变化不大,高Ra数时U变化不大, TD数随Ra数增高而下降.传热Nu数随Ra增高而增大,低Ra时Nu数随Ra数快速上升, Nu～Ra~(1.1),高Ra时Nu数增大变缓, Nu～Ra~(0.14).与无隔板对流系统Nuno～Ra~(0.29)对比, Nu数呈现先快速增大而后变缓的过程,出现增强传热区间和Nu数增强最大值Nuq,为7×10~5≤Ra≤5×10~9, Nuq≈3Nuno,对应Ra|Nuq≈10~7.不同狭缝高度d时速度U和TD数及Nu数随Ra数的变化特性曲线特征保持不变,但会改变特性曲线对应于Ra数的位置.狭缝高度d增大,特性曲线向低Ra数方向移动.不同d将改变隔板对流系统Ra数的传热增强区间.三个不同狭缝高度的Nu数增强最大值都是Nuno的3倍左右,狭缝高度d越大,对应的Ra数越低.     

封闭方腔自然对流的涡结构和传热特性

为研究封闭方腔自然对流的涡结构和传热特性,对普朗特数,Pr=0.71,方腔高长比A=H/L=1,瑞利数Ra=1.58×109的二维封闭方腔自然对流进行了直接数值模拟. 给出了水平边界层发展阶段和垂直边界层转捩阶段的流场结构以及Nu数分布. 结果表明,压力梯度对方腔的水平速度变化起着决定性的作用;高Ra数下的自然对流在逆压梯度作用下水平方向形成一系列的涡,这些涡使得水平边界层流动形成分层结构;壁面Nu数与速度梯度?v/?y有着密不可分的关系.      

Tb_(0.3)Dy_(0.7-x)Pr_x(Fe_(0.9)Al_(0.1))_(1.95)合金的磁性、磁致伸缩、自旋重取向和Mssbauer研究

系统研究了室温下Tb0.3Dy0.7-xPrx(Fe0.9Al0.1)1.95(x=0,0.1,0.2,0.25,0.3,0.35)合金中稀土元素Pr替代Dy对磁性、磁晶各向异性、磁致伸缩、自旋重取向和Mssbauer谱的影响.磁化强度和磁致伸缩的测量发现,少量Pr替代有助于降低磁晶各向异性,随着替代量x的增多磁致伸缩减小,x>0.2时超磁致伸缩效应消失.然而,x=0.1时合金的磁致伸缩略大于没有替代的,而且磁致伸缩随磁场更易趋于饱和.随Pr替代量x的增加,比饱和磁化强度和Curie温度单调下降,而内禀磁致伸缩极剧增大.由相对磁化率随温度的变化关系发现,自旋重取向温度随Pr替代量的增多呈先增后降趋势,在x=0.1处出现极大值.Mssbauer效应表明,随Pr含量的增加Tb0.3Dy0.7-xPrx(Fe0.9Al0.1)1.95合金中易磁化轴可能在{110}面上绕主对称轴作微小转动,发生自旋重取向.与Al元素对Fe的替代效应相比,Pr替代Dy对自旋重取向的影响相对较小.超精细场Hhf随Pr含量的增加而增大,同质异能移IS和四极劈裂QS随Pr含量呈无规律的变化.     

边界层内低阶结构函数标度律的实验研究

利用PIV系统对平板湍流边界层在Reθ=2?167下流向(u′)和法向脉动速度(v′)进行了测量,研究结果显示,当脉动增量的结构函数的阶数为 正分数时,实验所得的标度指数和K41及SL标度指数较为接近;当结构函数的阶数为分数且由0趋向于-1时,实验的标度指数明显偏离K41和SL标度指数,出现奇异标度律。这也说明了用低阶结构函数的标度指 数也能说明标度律的奇异性及边界层内存在间歇性。     

基于混合对流与传热的垂直延伸板驻点流研究

延伸板上不可压缩粘性流体的驻点流在工业和实际生产中有着广泛的应用,研究延伸板上驻点流的边界层流动一直是广大学者研究的热点。本文研究了不可压缩粘性流体在垂直指数延伸壁面上的二维驻点混合对流与传热问题,这是一种基本的物理现象,也是当今国内外学者研究的新热点问题之一。借助相似变换将边界层控制方程转换为非线性常微分方程,通过对其进行数值计算,用图表详细分析顺流和逆流时浮力参数λ和普朗特数Pr对流体流动和传热特性的影响。结果显示：顺流时,表面摩擦系数和努塞尔数均随浮力参数λ的增大而增大;随着Pr数增大,努塞尔数增大而表面摩擦系数减小。逆流时,表面摩擦系数和努塞尔数均随浮力参数λ的增大而减小,随Pr增大而增大。研究结果对于工程中探讨垂直板上浮力参数及普朗特数对表面摩擦力和传热特性的特殊影响具有重要意义。     

倾斜多孔方腔内自然对流非正交MRT-LB数值模拟

建立了倾斜多孔方腔自然对流的非正交多松弛系数格子Boltzmann(MRT-LB)模型,选取典型热流动问题分析了非正交转换矩阵的MRT-LB模型数值稳定性和运算效率,并对倾斜多孔方腔内自然对流现象进行了模拟研究,讨论了孔隙度ε(ε=0.4,0.6,0.9)、倾角θ(-180°≤θ≤180°)、Rayleigh数(10~4≤Ra≤10~7)及Darcy数(Da=10~(-4),10~(-2))等参数对流动传热的影响.结果表明:非正交转换矩阵的MRT-LB模型具有更好的数值稳定性和收敛速度;倾斜多孔方腔高温壁面上平均Nusselt数随倾角变化呈M型分布;Ra数、Da数增大使得Nusselt数最大值所对应的倾斜角度θ_(max)呈滞后规律;低Ra数时Nusselt数曲线出现不连续变化现象.最后通过曲线拟合得到Nusselt数与Ra*(Ra*=DaRa)数的幂函数关系式.     

台风“梅花”近地风剖面变化研究

基于10、20、30和40m高度处台风"梅花"影响下的上海浦东地区近地风现场实测数据,主要研究了平均风速、湍流度和阵风因子随高度的变化规律.结果表明,通过公式计算得到的边界层高度随平均风速的增大而增大,平均值为2 063m,远远大于我国规范(GB50009—2001,2002)规定的B类地貌下的边界层高度(350m).当平均风速较大时,大气稳定度参数z/L随平均风速变化较小,基本在区间[-0.1,0.1]内波动,此时大气近似趋于中性.指数率、对数率和Deaves-Harris模型与平均风速实测剖面均吻合较好.参考ASCE7-10中湍流度剖面的表达形式,通过拟合得到了纵向、横向和竖向湍流度随高度变化的经验表达式.另外,对实测阵风因子随高度的变化进行了拟合,拟合结果可以为今后工程设计提供参考.     

用格子Boltzmann研究多孔介质内的自然对流换热问题

用格子Boltzmann方法研究了方腔内二维多孔介质由于不均匀温度分布产生的浮力效应而引起的自然对流传热问题.通过数值模拟得到了多孔介质内流体的流场和温度场.详细讨论了孔隙度对自然对流传热的影响,并对孔隙度变化情况下的自然对流传热问题也进行了探讨.研究结果表明,在孔隙度恒定,且Da数比较小(≤10-6)的情况下,当Ra数较低时,孔隙度对自然对流传热的影响很小,当Ra数足够大时需要考虑孔隙度变化的影响;而在Da数较大(≥10-2)情况下,孔隙度对自然对流传热的影响非常明显.在孔隙度线性变化情况下,中间孔隙度c对自然对流传热有一定的影响,且对流与传热随着c的增大而变得剧烈.     

不同屋顶结构下室内自然对流传热数值分析

以室内自然对流传热过程为研究对象,采用质量守恒方程、能量守恒方程进行数值计算,给出了Ra数在10³～10⁸之间时,三种不同屋顶结构下室内等温线、流体流线的分布特征和Nu数的变化特征.分析结果表明:随着Ra数的增大,等温线由近似竖直变为水平,靠近高、低温壁面有边界层的产生,高Ra数下的室内气流变得紊乱;三种屋顶下的Nu数曲线形状相似,Ra=10³时拱形屋顶的Nu值最大,高Ra数时平屋顶房屋的Nu值最小,换热效果较差;拱形屋顶Nu与Ra的拟合公式为:Nu=0.316Ra^0.262.     

热源位置对室内自然对流换热影响的数值分析

利用热和流体流动控制方程,以室内局部加热(集中热源)的自然对流换热现象为研究对象,分析讨论了不同瑞利数Ra(Ra=103～106)、不同热源位置时的室内流体流线、等温线分布特征以及平均努赛尔数Nu的变化.分析结果表明:针对某一固定热源位置情况,随着Ra的增大,室内的热传输形式由热传导逐渐变为对流换热,等温线和流线形状随着Ra的增大发生变化,流线逐渐变得"紊乱";Nu与Ra呈幂数关系,拟合后其线性相关性可达93%.     

带有离散热源的竖直平板自然对流耦合传热研究

通过离散热源模拟板管式换热器的盘管,对竖直钢平板自然对流和导热的耦合传热进行了实验研究.结果表明:在控制加热热流和加热温度2种条件下,平板的温度呈波浪形分布,起伏的幅度随加热间距的增大而增大;采用平均加热壁温作为特征温度计算的自然对流平均Num和Ra的关系仍满足Num等于cRan,但常数c和n是加热间距的函数;在Ra为5×108~5×109的范围内拟合得到它们的关系式,误差约为±5%.对耦合自然对流的数值计算表明,平板壁面温度波动导致速度边界层增厚,局部传热系数也相应发生波动.     

饱和多孔介质自然对流模型与实验

以饱和多孔介质内流体流动、流体和固体传热为研究对象,考虑流体密度随温度变化,局部热平衡,引入Brinkman-Forchheimer的扩展Darcy模型进行修正,建立固体随机堆积饱和多孔介质自然对流数值模型,采用有限体积法计算.利用自主研制的两侧恒温差立方体多孔介质实验台,对数值模型进行实验验证.综合数值计算和实验结果表明:腔体内最大流速随温差和瑞利数Ra增大而增大,且最大流速出现在高低温壁面附近;随着Ra增大,温度等值线由近似于平行于高低温壁面变为近似垂直于高低温壁面;高温壁面上Nu从上至下呈线性增加趋势;高温壁面Nu随Ra增大而增大,当Ra102时,Nu维持在12以内;当102Ra106,Nu增加迅速,由11.4增加到276.4;当Ra106,Nu增加速率很小.     

Tb0．3Dy0．7-xPrx（Fe0．9Al0．1）1．95合金的磁性、磁致伸缩、自旋重取向和Mǒssbauer研究

系统研究了室温下Tb0.3Dy0．7-xPrx（Fe0．9Al0．1）1．95（x=0,0．1,0．2,0．25,0．3,0．35）合金中稀土元素Pr替代Dy对磁性、磁晶各向异性、磁致伸缩、自旋重取向和Mǒssbauer谱的影响．磁化强度和磁致伸缩的测量发现,少量Pr替代有助于降低磁晶各向异性,随着替代量x的增多磁致伸缩减小,x〉0．2时超磁致伸缩效应消失．然而,x=0．1时合金的磁致伸缩略大于没有替代的,而且磁致伸缩随磁场更易趋于饱和．随Pr替代量x的增加,比饱和磁化强度和Curie温度单调下降,而内禀磁致伸缩极剧增大．由相对磁化率随温度的变化关系发现,自旋重取向温度随Pr替代量的增多呈先增后降趋势,在x=0．1处出现极大值．Mǒssbauer效应表明,随Pr含量的增加Tb0.3Dy0．7-xPrx（Fe0．9Al0．1）195合金中易磁化轴可能在{110}面上绕主对称轴作微小转动,发生自旋重取向．与Al元素对Fe的替代效应相比,Pr替代Dy对自旋重取向的影响相对较小．超精细场Hhf随Pr含量的增加而增大,同质异能移IS和四极劈裂QS随Pr含量呈无规律的变化．     

管内脉动层流动力学特性研究

采用数值模拟方法对圆管内低频率脉动层流动力学特性进行了研究,分析了管内脉动层流速度以及流体剪切应力分布特性.研究结果表明:脉动层流中出现回流现象,且速度边界效应的范围与脉动频率有关.脉动频率越大,速度边界层范围越小,边界层内速度梯度越大.在边界层内,流体剪切应力的作用方向出现周期性变化.随着振幅A的增大,壁面剪切应力先增后降,然后再增,最后趋近于某一值.而管道压降随着振幅的增大最初变化并不明显,在A=0.6时压降急剧增大,而当A0.8时明显降低.综合考虑脉动频率和振幅对壁面剪切应力与压降的影响规律,存在最佳振幅,且最佳频率为0~2.5Hz.     

倾斜角对方腔内非稳态自然对流影响的格子Boltzmann方法模拟

采用格子Boltzmann方法构建非稳态方腔自然对流的数学模型,并进行模型验证,分析流场和温度场随时间的变化,重点讨论瑞利数Ra、倾斜角度θ对方腔内非稳态流动特性和传热特性的影响.结果表明:随着瑞利数Ra增大,平均努塞尔数Nu_a变大.瑞利数Ra=10~4、Ra=10~5和Ra=10~6工况的平均努塞尔数Nu_a曲线发生波动,瑞利数Ra=10~3工况的平均努塞尔数Nu_a曲线未产生波动.瑞利数Ra=10~6工况的稳定时间最短,瑞利数Ra=10~4工况的稳定时间最长.倾斜角度θ=0°和θ=30°工况的平均努塞尔数最优,且稳定时间最短;倾斜角度θ=90°和θ=270°工况的平均努塞尔数最差.     

速度边界层剪切定律（英文）

自20C初,路德维希·普朗特提出相关理论以来,边界层理论被人们所熟知。然而,边界层方程的解并不能恰当地描述高雷诺数流体。通过普朗特边界层方程的平均值和脉动值推导出带有脉动函数F的广义的Blasius方程,并且通过理论推导和数值模拟建立内边界层的速度剪切定律。前缘处边界厚度δ0=c2/Reu,其中Reu=U∞/ν,当求位移厚度时,c=1.720 8,求动量损失厚度时,c=0.664。此外,速度边界层上的极值定理和数值实验表明速度边界层的牛顿线性剪切定律完全满足于F=0.1和F=0.01,对于非线性剪切定律满足于F=0.001和F→0。这样的机制在传统的边界层理论中从未被讨论过。     

R3Co11B4中的磁作用

用两格点分子场理论分析了钴基合金R3Co11B4(R=Pr,Nd,Tb,Dy)的自发磁化随温度变化的关系,采用数值拟合的方法计算出了描述3种磁作用的分子场系数n(RR),n(RCo)和n(CoCo),得到了居里温度,给出了交换场强度随温度变化的曲线.