Marangoni效应对降膜流动影响的模拟研究

采用计算流体力学的方法,提出了1个三维模型来研究竖直板上受热和受冷降膜的Marangoni效应对降膜流动的影响,得到了液膜表面温度、速度、涡量以及润湿面积比等参数随时间变化关系.模拟结果表明,液膜受冷其润湿面积增大,受热收缩.Marangoni效应在液膜的水平方向表现得更加明显,受热液膜径向修正Marangoni数为轴向修正Marangoni数的8倍.受热液膜表面波动加强,边缘处涡量增大,而液膜主体流向速度由于受到液膜收缩的影响也增大.     

壁面微结构对超薄液膜流动特性的影响

针对非平整基底表面上的超薄液膜流动,采用润滑理论推导出液膜厚度演化方程,并利用PDECOL程序进行了数值求解,分析了不同基底表面液膜轮廓的变化特征及基底结构参数和重力对液膜流动的影响.研究表明:微尺度基底的不平整特征将引起液体局部压力增加或减小,形成隆起或凹陷,使液膜表面发生变形;台阶、V字形和矩形凹槽等基底的深度增加或斜度减小具有增强液膜表面变形的作用,基底宽度仅在小范围内增加具有放大液膜表面变形的作用;波状基底高度增大具有增强液膜隆起高度、减弱液膜凹陷深度的作用,波数的作用与之相反;重力会抑制液膜隆起和凹陷的发生.     

一种对船桨干扰问题的黏势流耦合求解方法

基于黏性流计算流体力学(CFD)及势流理论,建立了一种黏流雷诺平均方程/面元法耦合迭代求解方法,对船桨相互作用问题进行了数值模拟.自由面的船体绕流场模拟应用CFD黏流方法,螺旋桨水动力载荷计算采用势流面元法.在黏性流场模拟中得到桨盘面处的总速度分布,减去螺旋桨诱导速度得到实效伴流速度并作为势流计算速度进口条件,螺旋桨效应以体积力的形式在黏性流场中体现.计算值与试验值的对比结果表明,黏势流耦合迭代求解方法能较好地预报船桨干扰问题,且较全域船桨离散化网格CFD求解船桨干扰的方法,计算量大为减少.该方法充分融合了黏势流方法的优点,既能计及黏性效应又能发挥势流快速准确的优势,能够拓展应用于船体及螺旋桨性能预报及设计优化的研究.     

气泡黏性对上升运动特性影响的界面追踪算法模拟

为了研究气泡黏性对其上升过程的速度、形态以及阻力系数的影响,基于界面追踪法(front-tracking method,FTM)模拟了气泡在黏性流体中的运动,通过改变气泡黏性来改变气液黏度比,研究了气泡内的速度分布以及气泡周围黏性剪切应力的分布和变化特点。研究表明:气液黏度比较小时,流场中的黏性耗散很强,气泡的黏度主要影响其平衡速度和形态,气液黏度比较大时,黏性耗散减弱,其平衡速度和形态基本无变化,气泡黏性主要影响气泡内的速度分布;气泡上升过程中的阻力系数随黏度比增大而减小,黏性剪切应力则呈现相反的变化趋势。气泡上升过程中,周围的黏性剪切应力关于中心轴线对称分布,出现最大黏性切应力的区域由气泡两侧逐渐向气泡底部边缘过渡;气泡尾部边缘的形变引起气泡尾部的表面张力不平衡,使得气泡的形态发生改变。     

厚度梯度准则在成形极限图建立中的应用

介绍了一种预测板料发生颈缩的新准则--厚度梯度准则,该准则基于当板料发生颈缩时沿垂直于颈缩方向的厚度梯度分布存在着极值C;在板料成形过程中,当其厚度梯度值小于临界厚度梯度值C时,认为板料发生颈缩.采用eat/Dynaform软件仿真了HS钢的凸模胀形试验,基于厚度梯度准则有限元计算获得了其成形极限图(FLD).获得的FLD与通过理论计算和试验方法得到的结果进行了对比分析,基于厚度梯度准则的有限元计算结果与试验得到的数据吻合较好,且比理论计算得到的结果更接近试验得到的数据,从而证实了该方法的正确性和优越性.     

溴化锂溶液在亲水水平圆管表面降膜流动的数值模拟

为了研究润湿性对水平管外降膜流动性能的影响,基于有限元法建立二维两相流模型,模拟了溴化锂水溶液在水平圆管外亲水表面不同润湿性(静态接触角0°~60°)的降膜流动过程;探究了液体在不同润湿性的水平圆管外壁铺展成膜的瞬态特性;分析了稳定后液膜厚度和液膜表面速度的分布特征.结果表明:当水平管外壁润湿性降低或静态接触角增加时,液体在水平管外铺展成膜所需的时间增加,液膜最前端液体的堆积量增大;达到稳定状态后液膜厚度沿周向呈先减小后增大,液膜速度沿周向呈先增大后减小的变化趋势;液膜最小厚度或最大速度位于周向角120°左右;根据液膜厚度沿周向角分布模拟值与实验数据的比较结果,对Nusselt液膜厚度表达式进行了修正.     

HSX型规整填料流体力学的CFD研究

通过多尺度方法,对HSX填料进行计算流体力学(CFD)模拟,得到了局部平均液膜厚度、气液有效润湿面积及全塔压降等数据。其中,通过建立二维和三维流体体积(VOF)两相流模型,分别计算了不同气液速度对液膜厚度及有效接触面积的影响。最终模拟压降结果与实验结果吻合性较高,表明CFD可以作为设计、改良填料的有效工具。     

基于MSG理论的超薄梁弯曲问题的数值模拟

为了解决超薄梁弯曲计算中存在的低阶单元出现自锁和过刚的缺陷问题,采用基于应变梯度理论的假设应变有限元方法,研究了微尺度梁弯曲问题中的尺度效应.在假设应变单元设计中,非局部的应变梯度项通过围绕高斯点的胞元进行数值积分而得到.进一步在本构方程中引入等效应变梯度项,在积分本构方程时就可以反映材料在微细变形时的尺寸效应.首先,构造了一个基于细观机制的应变梯度理论的增强假设应变有限元模型.通过这种方法,非局部的应变梯度通过围绕高斯点的胞元积分而加入到本构方程中.由这个模型,发展了一个增强假设应变有限元程序,利用此程序对一超薄梁受均布荷载作用下,不同厚度,不同网格划分时的弯曲问题进行了数值模拟.结果显示,这种方法能够很好的体现出超薄梁在不同厚度和不同网格划分下的尺度效应.此方法具有较好的适用性.     

非线性弹性薄膜表面效应的尺寸相关性研究

在Mindlin假设的前提下，考虑了几何非线性条件及表面效应的影响，建立了纳米尺度下尺寸相关的板状各向同性弹性薄膜模型；从哈密尔顿变分原理出发，导出了薄膜的控制方程，用公式明确阐述了由表面张力引起的符合经典板理论且与薄膜变形相关的残余膜力和弯矩；通过微小尺寸薄膜弯曲的算例，说明了表面效应与薄膜厚度的相关性，当薄膜厚度等于或者小于其内禀尺度时，表面效应对薄膜厚度表现出很强的敏感性。     

刮膜式分子蒸馏装置中的液膜状态实验

采用电学测量法对刮膜式分子蒸馏过程中蒸发壁面上液膜的连续性和液膜厚度进行测量.根据蒸发器壁面上液膜分布对导电性的影响,通过对电压信号的分析,总结出判断壁面液膜连续性的判据:各点的电压必须非零且分布均匀;波动较大.根据液膜厚度与导电溶液电阻值之间的关系,得到了壁面上液膜的平均厚度在0.01,mm数量级;使用响应曲面法对实验数据进行处理,得到并验证了液膜厚度的二阶经验关联式.实验结果表明,对于刮膜式分子蒸馏装置,提高进料速度和转子转速有利于改善壁面上液膜的连续性,而且在不同进料速度下,影响液膜厚度的主要因素不同.研究结果为设计和使用刮膜式分子蒸馏提供了理论依据.     

气体旋转运动对类反对称模式下环膜液体射流破碎尺度的影响

利用线性不稳定性理论研究了气体介质旋转运动对类反对称模式下黏性环膜射流破碎不稳定性的影响.通过对描述黏性环膜射流不稳定性色散方程的推导和数值求解,研究了气体介质的旋转运动对环膜射流破碎尺度模式的影响.研究表明,对于类反对称模式的液体环膜射流,内气体介质的旋转运动对射流的不稳定性有极强的促进作用.能使射流迅速从大尺度破碎模式转换为小尺度破碎模式;外气体介质的旋转运动是环膜射流破碎的促稳因素.不能改变环膜射流的破碎尺度模式.研究结果证明了类反对称模式主要与环膜射流的内气.液界面相关联.在此条件下,内气体介质的失稳作用控制射流的破碎尺度特征,而外气体介质的促稳作用在"穿透"液体射流后被大大衰减.     

微极流体方程组零角度和黏性极限的边界效应

微极流体模型能够描述带有悬浮颗粒的黏性不可压流体的运动.考虑一类二位不可压缩微极流体方程组的初边值问题,证明了当角度和微旋转黏性(r;ζ)趋于0时,方程组的解收敛于角度和微旋转黏性系数为零时方程的整体弱解.研究了微极流体方程组零角度和黏性极限的边界效应,给出了边界层厚度的阶数O(rβ)(0β23).与Chen等的结果相比,该边界层厚度更薄,并且提高了收敛率。     

基于超声波的气液两相分层流液膜厚度及流量的非介入测量

传统液膜厚度测量方法会干扰液膜流动进而引发测量偏差,为了克服传统测量方法的不足,提出了采用超声多普勒进行非介入式测量液膜厚度的新方法,通过超声多普勒流速仪测量气液界面回波信号,通过反射回波识别气液界面测得液膜厚度,通过对液膜速度分布曲线进行积分,还可获得液相质量流量。在气液两相流实验环道上开展了测试,液相折算速度范围为0.027~0.066 m/s,气相折算速度范围4.85~15.81 m/s。实验表明:液膜厚度的分辨率0.01 mm,液膜厚度最大测量误差4.32%,液膜质量流量最大误差5.0%。     

醋酸钾型除冰液薄液膜厚度对飞机用2024铝合金腐蚀电化学行为的影响

利用新型低温薄液膜腐蚀实验装置,对飞机用2024铝合金在低温(-5℃)条件下的醋酸钾型除冰液薄液膜下的电化学腐蚀电化学行为进行了研究。结果表明:在较薄(低于240μm)的除冰液薄液膜下飞机用铝合金腐蚀电流密度随液膜厚度增加而增加,电荷转移电阻1/Rct随薄液膜厚度增加而增加;在较厚(高于240μm)的除冰液薄液膜下飞机用铝合金腐蚀电流密度随液膜厚度增加而减小,电荷转移电阻1/Rct随薄液膜厚度增加而减小。研究表明除冰液薄液膜对飞机铝合金的腐蚀速度随薄液膜厚度增加呈现先增加后减小的规律。     

黏性效应对高超声速飞行器特性的影响分析

针对高超声速飞行器的黏性效应,采用参考温度法建立高超声速飞行器气动黏性模型,对比研究了黏性效应对气动特性的影响.考虑到气动热使飞行器壁面温度升高的情况,分析了黏性阻力及飞行器弹性形变随壁面温度变化的规律,并对比研究了黏性效应对飞行器控制量(舵偏角与燃料当量比)的影响.最后,在考虑发动机热堵塞现象下,研究了黏性效应对飞行器高度、速度边界值的影响.结果表明:黏性效应主要影响飞行器阻力;黏性阻力随马赫数增大而增大,随高度升高而减小;随壁面温度升高,黏性阻力升高,黏性推阻比降低,机体弹性形变更加严重;黏性效应使飞行器飞行高度、速度边界区间变窄.     

高速列车非定常气动力及其波动特性的雷诺数效应

基于Realizableκ-ε湍流模型的延迟分离涡模拟(DDES)方法,求解不同缩比尺度和来流速度下列车周围非定常流场.通过改变模型缩比尺度和来流速度来研究列车非定常气动特性的雷诺数效应和尺度效应.研究结果表明:随雷诺数增加,各节车气动阻力系数均方根基本呈现减小趋势,且波动明显;随雷诺数增大,列车各节车气动阻力系数和升力系数标准差均先减小后增大,且波动明显;气动力系数功率谱密度随雷诺数增大而变小;雷诺数对气动力系数主频有影响,但无明显规律;列车气动力的尺度效应显著,随雷诺数增大,列车气动力的尺度效应减弱,且列车升力的尺度效应相对显著;列车非定常气动阻力和升力振动的尺度效应随雷诺数增大而减弱,且列车非定常升力振动的尺度效应更加显著;尺度效应不改变列车气动力以低频为主的振动特性和列车气动力功率谱密度的分布规律,对气动力振动主频及其功率谱密度有显著影响.     

可压缩流体体积黏性的连续介质理论

本文从连续介质假设的角度出发,推导出了不同于分子运动论的体积黏性系数公式.新理论首次从宏观上揭示了可压缩流体体积黏性的具体物理涵义,即体积黏性系数是体积模量与弛豫时间的乘积.以氮气为例,分别对转动模态和振动模态下的体积黏性进行了计算和分析,结果表明:连续介质理论的结果略高于分子运动论的结果,但二者的预测趋势相同;在振动激发态下,弛豫时间、分子碰撞数和体积黏性要比转动激发态下的高出几个数量级.     

含表面活性剂液膜的去湿特性

针对存在壁面滑移的含非溶性表面活性剂液膜在固体表面的去湿过程,应用基于润滑理论建立的液膜厚度及表面活性剂浓度的演化方程组,采用PDECOL程序对液膜演化历程进行了数值模拟,并分析了各特征参数对去湿特性的影响.结果表明,Marangoni效应对垂直方向上液膜厚度的变化影响微弱,液膜厚度的变化由分离压及毛细力所主导;Marangoni数对最终形成的去湿结构的影响并不显著,减小毛细力数则有助于抑制去湿过程的发展;增大滑移系数可以加速去湿进程,而最终形成的去湿结构明显缩小;增大平衡液膜厚度,液膜表面变形程度减小,液膜厚度逐渐趋于平稳.     

带排扭矩条件下湿式制动器流体的三维温度场和传热规律分析

湿式制动器是重型车辆制动系统的核心部件,对车辆安全具有关键影响. 本文以制动摩擦副间隙的冷却液压油（ATF）为研究对象,考虑非制动作业时带排扭矩条件下液体黏性摩擦和稳态层流流动特征,利用积分方法建立了ATF的能量方程,获得了能同时满足轴向和径向边界条件的三维温度和热流密度显式解析表达式,由简化动量方程和三次多项式分布假设还获得了油膜径向速度和压强的理论解. 将流体压强和温度的理论模型与以往试验对比,我们发现解析解与试验结果具有较好的一致性. 此模型可推广用于液黏离合器和液黏测功机等其他HVD装置中ATF速度和温度场的理论预测.     

聚酰胺酸溶液成膜过程中的传质行为

为了研究聚酰胺酸溶液成膜过程中的传质行为,采用自制液膜干燥实验装置在线测定聚酰胺酸溶液质量的变化.假设气、液两相传质通量相等的条件下,计算了溶剂气相传质系数和液面蒸气压.在此基础上考察了干燥温度、液膜厚度、溶液相对分子质量对液膜表面蒸气压的影响.结果表明,成膜过程中存在溶剂蒸发与聚酰胺酸溶液亚胺化反应的相互竞争.干燥初期溶剂蒸气压迅速升高,液膜表面溶剂的扩散为控制步骤;而干燥后期溶剂蒸气压较小,溶剂在膜内部扩散成为控制步骤.同时随着液膜厚度的增加、干燥温度的升高及溶液相对分子质量的减少,液面蒸气压的最大值呈现增大趋势.