热毛细对流自由表面特征

在流体力学领域, 流体自由面变化是非常重要的物理现象. 研究了矩形池内由液池两端温度差引起的热毛细对流的流体表面变形和表面波问题. 该液池的水平横截面尺寸为52 mm ´ 42 mm, 液池内盛有液层厚度为3.5 mm的1000号硅油. 实验过程中液池两端温度差逐渐增加, 液层内流体的流动从稳定的对流逐渐转变为不稳定状态. 实验中将Michelson光学干涉测量技术与图像处理技术相结合, 发展形成一种实时诊断流体表面形貌的实验测量系统. 应用Fourier变换方法对激光干涉条纹图像进行了计算和分析, 得到了流体表面变形和表面波的定量的实验结果. 实验结果表明在热毛细对流的发展过程中, 首先出现流体的表面变形, 液池两端温度差达到一定值之后, 在该变形的基础上, 会有表面波的信息叠加在其中, 该表面变形和表面波与流体的温度梯度、表面张力等有直接的关系; 表面波隐藏在表面变形内.     

两层流体热毛细对流空间实验研究

1999年, 在我国实践5号卫星上完成了两层流体空间实验, 实验研究两层不相混合流体的纯Marangoni对流(温度梯度与界面垂直)与热毛细对流(温度梯度方向与流体界面平行). 前者存在发生Marangoni对流的最小临界温差值ΔT_c, 低于该值流体系统处于静止状态；后者中只要存在沿界面的温度梯度便会产生热毛细对流. 空间实验采用石蜡和氟化液两层流体新体系, 实现了平整的液-液交界面, 并从卫星上传回上万幅数字图像. 通过多幅图像叠加处理得到了定量的流速场. 数值模拟计算分析了相应工况时对流流动的速度场, 两者的流场结构和速度大小基本一致, 实验验证了理论模型.     

氧化物熔体自由表面变形的实验研究

利用高温熔体实时观察装置观察和研究了Bi₁₂SiO₂₀熔体中热毛细对流从稳态向振荡态的转变过程. 稳态热毛细对流的模式由一个对流主干和两个分支组成. 当振荡态对流引发后, 对流主干的长度会随着温度的增加而增长. 对流主干和分支是熔体表面变形的表现形式. 在铂金环的两端施加了3种温度梯度: 120, 60和10K, 铂金环上温度分布的变化直接导致了熔体热毛细对流方向的变化, 从而引发了表面变形形式的改变. 通过熔体温度分布的分析发现: 表明表面变形总是形成于熔体内的低温区. 表面变形的形成是熔体产生表面回流的主要原因. 主干的振荡频率随着温度梯度的增加而增大.     

对流作用下枝晶生长行为的数值模拟

应用一个二维的改进元胞自动机(modified cellular automaton, MCA)－传输耦合模型, 对流场作用下枝晶的非对称生长行为进行了模拟研究. 模型采用MCA技术模拟枝晶的生长, 同时采用一个传输模型对流场和由对流和扩散所控制的质量传输进行数值求解. MCA考虑了热过冷、成分过冷和曲率过冷对枝晶生长的作用, 也考虑了枝晶的择优生长方向和凝固过程中的溶质再分配. 在传输模型中, 采用SIMPLE算法求解动量和质量传输的控制方程. 应用该模型模拟研究了Al-3% Cu(质量分数)合金中单枝晶和多枝晶在不同流动方向的流体作用下的生长规律. 模拟结果表明, 金属液对流对枝晶的生长形貌产生重要的影响.     

纳米材料增强的潜热型功能热流体的对流换热特性

由于在相变过程中相变材料微胶囊能够吸收/释放大量的潜热,使得潜热型功能热流体具有较大的表观比热.然而近年来有学者研究发现,由于潜热型功能热流体热导率较低,其对流换热能力受到了削弱,甚至在某些条件下要低于水的换热性能.本文针对潜热型功能热流体的热导率较低的问题,研制了纳米材料增强的潜热型功能热流体,并且进行了管内强制对流换热实验研究,结果表明：添加0.5%TiO2纳米颗粒使得潜热型功能热流体的对流换热性能得到了明显改善,且相变材料微胶囊的浓度越高,纳米材料对换热性能的改善幅度越大,可使平均壁面温度降低达18.9%.     

过程参数描述的等热流和等壁温平板间层流对流换热特性区别

应用对流换热过程参数描述, 对平行平板间层流对流换热特性在不同热边界条件下的区别进行分析. 结果表明: 发展段壁面上, 在等热流边界条件下壁面法向方向的热通量是以对流方式传递的, 虽速度为零, 但速度梯度对该热通量的传输有贡献, 等热流边界条件时最大速度梯度项对法向热通量的传输有贡献; 在等壁温边界条件下壁面法向方向的热通量是以扩散方式传递的; 在发展段流体内部, 不同热边界条件下主流方向的热通量和垂直壁面的热通量均是以对流方式传输的, 速度和速度梯度对主流方向和垂直壁面热通量传输的贡献与边界条件相关; 在充分发展段壁面上, 等热流边界条件时壁面法向方向的热通量是以对流方式传递的, 速度梯度对该热通量的传输有贡献, 但等壁温边界条件时是以扩散方式传递的; 在充分发展段流体内部, 等壁温边界条件时主流方向的热通量和垂直壁面的热通量均以对流方式传输, 速度对主流方向热通量的传输有贡献, 等热流边界条件时主流方向的热通量和垂直壁面的热通量均以对流方式传输, 主流方向热通量的传输是一没有净换热的对流过程, 速度梯度对垂直壁面热通量的传输有贡献; 正是由于等热流边界条件时壁面上最大速度梯度项对法向热通量传输的贡献和等壁温边界条件时壁面上最大速度梯度项对法向热通量传输没有贡献, 使得等热流边界条件对流换热强度高于等壁温边界条件的换热强度.     

热毛细对流自由面微弱位移信号高灵敏度相位检测系统

在流体力学的研究领域,流体自由面的变化是一种非常重要的物理现象.针对自由面的形变位移,研制一套双频激光相位光电检测系统.将光学干涉技术与相位计相结合,实时获得相位计输出的反映流体表面形变的信号.本文详述了此双频激光相位光电检测系统的原理和装置.通过高精度PI步进电机驱动物体移动,标定系统的性能特性.应用激光位移传感器验证该系统的精度,同时分析环境对干涉测量系统的影响.将该系统应用于浮力热毛细对流自由面形变测量中,获得有意义的实验结果.     

中高频激励下微振动流体阻尼器解析模型

航天器执行机构工作时产生的高频微幅扰振严重影响成像精度.针对中高频激励下微振动流体阻尼器,采用解析方法,考虑流体的压缩性及阻尼孔道内黏性损失,建立微振动流体阻尼器中高频激励下动力学解析模型,给出压差力在时域解析表达式,分析阻尼孔尺寸、流体黏度、激励幅值对动力学特性影响,结果表明,压差力中包含瞬态分量、阻尼力分量以及弹性力分量,阻尼力分量提供阻尼力,弹性力分量提供刚度,瞬态分量随时间衰减.孔径、孔长、阻尼液黏度变化会导致刚度和阻尼变化,激励幅值变化对刚度和阻尼没有影响.     

铜-水纳米流体流动与对流换热特性

建立了测量纳米流体流动与传热性能的实验系统, 测量了不同粒子体积份额的Cu-水纳米流体在层流与湍流状态下的管内对流换热系数和摩擦阻力系数, 详细讨论了Reynolds数和纳米粒子体积份额对纳米流体对流换热系数和摩擦阻力系数的影响. 实验结果显示, 在液体中添加纳米粒子显著增大了液体的管内对流换热系数, 而纳米流体的阻力系数并未增大. 例如, 在水中添加2.0%体积份额的Cu纳米粒子, 相同Reynolds数条件下, 纳米流体的对流换热系数比水增大了约60%. 综合考虑影响纳米流体对流换热的多种因素, 提出了计算纳米流体对流换热系数的关联式, 通过比较关联式的计算结果与实验数据, 表明关联式正确地描述了纳米流体对流换热过程, 可以用来计算纳米流体的对流换热系数.     

双储液器环路热管工作不稳定性实验分析

对双储液器环路热管运行中出现的温度迟滞、倒流及温度波动等不稳定现象进行了描述和解释.实验发现,在热载荷递增和递减循环实验中,双储液器环路热管在可变热导区内的工作温度并不一致,功率递减时的工作温度偏低;姿态对出现温度迟滞现象的热载荷范围有一定影响;热载荷变化幅度对温度迟滞的影响并不大.倒流现象不仅发生在蒸气槽道充满液体的小热载荷启动过程,蒸气槽道存在蒸气的小热载荷启动过程中也可能发生工质倒流;工质倒流的原因主要是芯内蒸发或者蒸气瞬间穿透毛细芯,使得芯内压力高于芯外压力.温度波动现象可能发生在小热载荷启动或者较大热载荷的亚稳态运行过程中,尤其当有液体引管穿过的储液器位于蒸发器上方时,温度波动发生的几率较大.     

内凹气液界面毛细压力在界面蒸发中的作用

分析指明了内凹弯曲液面上的毛细压力具有促进界面蒸发传热的作用，澄清了因认识上的差异导致测算结果与真实蒸发传热量之间的巨大差异，而且随毛细半径的减小而增大，尤其对高气化潜热的液体更加明显. 分析还表明，内凹液面的毛细压力会导致液相的平衡温度减小，结合微层蒸发理论，可解释蒸气泡有可能在低过热温度、甚至在低于名义饱和温度时生长.     

银纳米流体横掠微针肋热沉流动和传热特性分析

采用单步化学湿法（超声膜扩散法）制备出了3种体积分数的水基银纳米流体,实验研究了纳米流体横掠新型水滴形微针肋热沉的流动和传热特性．结果表明：不同体积分数下的纳米流体压降差别很小;相同体积流量下,与基液比较,纳米流体进出口压降略有增加,但增加并不明显;与纯水相比,由于表面活性剂的引入增加了流体粘度,相同流量下,纳米流体的压降稍大于纯水值,但最大差距不超过10％．粒子的体积份额对纳米流体对流换热系数影响较大．纳米粒子的存在对换热性能有明显提高,但过高的黏度对纳米流体的强化传热效果有一定的抑制作用．与去离子水相比,当银粒子体积分数达到0．012％后,纳米流体的综合效果才能逐渐体现．     

青藏铁路块石夹层路基结构的冷却作用机理

为研究块石夹层路基结构的冷却作用机理, 建立了开放和封闭状态下块石夹层路基结构试验段, 获得了一个冻融循环的监测资料. 研究结果表明, 开放状态下冬半年块石层内温度场主要表现为强迫对流效应; 当风速减小时, 靠近坡脚处块石层内能产生微弱的空气对流效应; 夏半年块石层以热传导过程为主. 封闭状态下, 由于阻断了风的影响, 块石层内强迫对流效应减弱, 全年基本以热传导过程为主. 块石夹层路基结构对路基下部土体产生的冷却作用机理主要为强迫对流效应加微弱的空气自由对流效应, 其过程和冷却作用强度主要与风速和风向有关. 由于冷却作用机理的差异, 开放和封闭状态块石层对路基下部土体的冷却作用要相差2~4℃.     

基于预测-矫正技术的超临界流体强迫对流传热能力预测方法

拟临界区剧烈变物性导致超临界流体强迫对流传热特性规律复杂.已有超临界流体传热关联式的预测能力和应用范围难以同时改善.借鉴亚临界两(多)相流分流型预测传热能力的思路,本文尝试提出了基于预测-矫正技术的超临界流体传热能力预测方法.该方法的基础包括可合理表征浮升力效应和流动加速效应强度的无量纲数Bu和Ac,以及一套完善的超临界流体对流传热关联.通过超临界二氧化碳强迫对流传热实验研究,获得了传热数据库(3696组数据),建立了一套(10个)超临界二氧化碳强迫对流传热关联式,并对新建立的传热关联式和新提出的预测-矫正预测方法进行了评价.结果表明预测-矫正计算方法可大幅提高加热段壁面温度预测精度,并有效纠正单一传热关联式预测时出现的粗大偏差.     

等热流圆管内潜热型功能热流体层流换热的内热源模型及应用

从对流与导热的相似性出发, 揭示了潜热型功能热流体强化换热的物理机制. 针对平均比热容模型的局限, 发展了内热源模型, 优化了其数值计算方法, 对影响速度充分发展的等壁温圆管内该类流体层流流动换热强化的各因素进行了敏感性分析, 弄清了影响换热强化的主要因素及其强化换热的机理, 提出了表征功能热流体换热强化程度的修正Nu数.     

两流体换热器内粘性热对两流体（火积）的影响

以水和橄榄油为例研究了两流体换热器内只考虑传热引起的（火积）耗散的情况下,粘性热对换热过程中两流体（火积）的影响.结果表明,对于动力粘度较大的流体粘性热对两流体（火积）损耗的影响不能忽略.粘性热效应维持了流体的传热能力,使换热过程的（火积）的损耗幅度相对减小;粘性热效应增加了导热引起的熵产,使换热过程的可用能损失相对增加.对于动力粘度较大的流体,在换热面积固定的条件下当流体质量流率增加到一定程度时,粘性热效应对（火积）的贡献幅度甚至大于传热引起的（火积）的耗散幅度,从而使换热器内损耗的幅度随着质量流率的增加而减小.在其他条件相同的情况下,选择冷流体为较小热容流率的流体时传递单位热量下的传热（火积）损耗率和熵产率要小于选择热流体为较小热容流率的流体时传递单位热量的传热（火积）损耗率和熵产率.     

封闭腔导热辐射与自然对流耦合换热的数值研究

对具有导热和表面辐射换热相互耦合的封闭腔内的自然对流进行了数值研究,计算采用层流模型,为SIMPLE算法,QUICK差分格式.计算结果表明,在自然对流的封闭腔内,辐射换热比对流换热更占主导地位.当具有固体层时,导热的效应使总的对流换热有所增长(曲线的初始部分),但当固体层的导热系数比超过一定值时(kr≥10),再增加固体的导热性能,对封闭腔内的流动和换热的影响就不明显了.从数值上证实了在实际的建筑环境中,只要外围护结构的厚度达到一定的数值就可以达到隔热保温的要求.再增加厚度并不会得到更好的效果.     

多孔芯冷凝器内流动与换热特性

研究了新型毛细泵环系统（CPL）中的多孔芯冷凝器内部流动与换热机理,建立数理模型,通过数值求解,分析得到液膜形状及壁面过冷度,热负荷,不同工质等各种因素对流动换热过程的影响.同时,利用所建立的实验系统对理论求解进行了验证.     

基于多信号在线辨识的电力系统低频振荡监测与分析

广域测量系统的建立为电力系统的监测与控制提供了有效的手段.基于广域测量信号的Prony在线辨识已有大量的研究成果发表,但对于如何利用辨识得到的幅值和初相位信息对电力系统低频振荡进行监测和分析还研究得不够.本文基于多信号Prony算法,提出根据各站点的振荡幅值进行低频振荡的检测,并根据振荡幅值得到各站点的模式可观性;根据各测量点的初相位得到机组的振荡分群,给出模态图.同时,研究了振荡频率和阻尼比的时变性,并利用多种可视化方法展现振荡过程和特性.以贵州电网"11.9"低频振荡实测数据为例,阐明了所提方法的有效性和可行性,对于在线应用有着重要的工程意义.     

加热丝上过冷池沸腾汽泡射流现象及其模拟

实验观察分析直径25及100 mm微细铂丝上过冷池沸腾微小汽泡射流现象, 利用高速摄影和PIV技术获取汽泡周围射流形态及流场, 发现小尺寸汽泡具有明显的顶部射流, 大尺寸汽泡则可以在汽泡两侧出现多股射流. 通过分析汽泡界面相变换热以及热毛细力效应(Marangoni), 建立了近壁面汽泡计算模型并数值模拟汽泡周围流场, 模拟射流结构及喷射强度等与实验结果一致吻合. 分析证明, 热毛细效应引起汽泡界面快速流动并带动周围液体形成射流; 汽泡直径对于射流结构有重要影响, 决定着汽泡射流多样性结构.