微重力场中对流-辐射耦合换热系统的地面模拟

为在地面模拟太空舱内的流动与换热，通过理论分析和数值模拟，发展了微重力条件下对流－壁面辐射耦合传热稳态系统的地面相似模拟技术，进一步完善了温度－材料综合保持的自然对流抑制技术。通过采取补偿热流，调整壁面热流密度分布的方法，使尺寸缩小后的模型的Ｎｕ数、材料和温度与原型保持一致，从而实现模型与原型流动和换热相似。针对均匀通风方式，用数值方法对相似性进行了验证，确定了均匀通风方式下能实现地面模拟的模型的比例     

微重力条件下流动与传热传质的地面模拟

为了给载人航天器热设计提供依据,考核热控系统的适应能力以及确定热湿控制参数。发展了材料－温度－湿度保持技术,以实现微重力条件下导热－对流－辐射换热与传质稳态系统的地面相似模拟。通过调整壁面热流密度分布,可以使尺寸适当缩小后的模型的材料、温度和湿度同时保持不变,同时还能抑制由重力引起的自然对流的作用,从而实现地面模型与微重力场中原型流动、换热和传质相似。并用数值方法对均匀进风条件下的流动、换热和传质的相似性进行了验证。     

微重力下对流换热的地面缩比-减压模拟技术

为了地面模拟空间飞行器在微重力条件下的对流换热 ,抑制自然对流 ,消除或减小重力的影响 ,研究了将缩小尺寸和减小压力相结合的缩比 -减压模拟技术 ,并通过数值计算对这一技术进行了验证。研究表明 ,缩比 -减压法可以克服缩比法和减压法在应用时的不足。不论缩小尺寸和减小压力的程度如何 ,只要缩减比相等 ,自然对流的抑制效果就相同。在工程应用中 ,对一定的原型工况 ,采用缩减比参数比采用 Gr/Re2 参数更直观 ,可以指导对地面模拟实验中合适的模型尺寸和工作压力的确定     

抑制自然对流的可视化实验研究

为了验证抑制自然对流的努谢尔数保持技术的正确性，发展了一种大空间气流流场的可视化技术。采用蚊香燃烟示踪气流，激光片光源照亮烟气固体微粒，以显示在不同尺寸模型中不同Ｒｅ数和Ｇｒ数下的流场特征。较好地解决了大面积的恒热流加热的实验技术问题，同时在实现均匀来流、减小烟气扩散等方面也作出了探索；实验获得了十分清晰的模型中的流场可视化照片。两种热缩比模型中的流场的观察结果表明，合理地采用适当尺寸的缩小模型，确实可以在地面消除重力对流动与换热的影响。     

方腔内混合对流换热的数值研究与模型实验

为研究方腔内混合对流向受迫对流过渡的临界参数,通过数值模拟和模型实验,得到了不同工况下的流场、温度场,并将数值结果与实验结果进行了对比,通过一系列的数值计算,取得了均匀通风方式时混合对流处于受迫对流占优状态、自然对流受到抑制时的特征参数,指出描述方腔内混合对流的特征参数Ｇｒ／Ｒｅｎ中的ｎ不等于２,并发现当自然对流引起的旋涡消失时,自然对流对换热仍有一定的影响。     

同心圆柱体间旋转气隙内对流换热的数值模拟研究

本文利用商用CFD软件对发电机气隙简化模型——同心旋转圆柱体间环形气隙内流体对流换热情况进行数值模拟,得到了不同泰勒数Ta下流场的速度分布、温度分布和热流密度分布。将模拟得出的平均努赛尔数Nu与经验公式的计算值进行了对比,误差在合理的范围之内,证明了数值模拟的有效性。计算结果表明,受流场中泰勒涡的影响,速度、温度、以及热流密度沿轴向的分布呈现周期性波动,波动频率与泰勒涡的数量相同,其中,速度与温度分布波动的变化趋势相同,热流密度波动的变化趋势与前两者相反;泰勒数Ta越大,流场的平均努赛尔数Nu越大,流场的对流换热性能越好。另外,本文还对带凹槽气隙模型进行了流动模拟,分析了泰勒-库特流能够强化传热传质的原因,为后续发电机环形气隙对流换热特性的模拟做准备。     

载人飞船座舱内空气对流换热地面模拟

为了准确进行地面热平衡实验,验证载人飞船座舱热控制设计,运用相似理论对载人飞船座舱内空气的对流换热进行了相似分析,确定了地面热平衡实验时保持座舱内空气的对流换热与太空飞行时相似的准则是：“降低座舱中的空气压力,保持Ｇｒ相同,同时保持空气的质量流量及边界条件相同。”根据技术条件限制,提出了地面热平衡实验时座舱内空气对流换热的近似模拟方案,阐述了近似实验时座舱内空气状态的确定方法。通过数值求解一个简单的物理模型,说明了近似模拟实验方案的可行性。     

热压通风房间地面对流换热过程分析

全尺度实验测试了单侧热压通风房间围护结构内表面和地面热质的温度变化,分析了室内初始温度、地面初始温度和通风口尺寸对地面对流换热的影响.结果表明:通风过程中室内温度逐渐降低,温度垂直分布趋于均匀;进风气流流经的测杆处地面的局部换热量和局部对流换热系数分别大于地面平均换热量和平均对流换热系数;对于室内初始温度较高的情形,地面局部对流换热系数较大,平均对流换热系数较小;对于地面初始温度较高的情形,地面局部对流换热系数较小,平均对流换热系数较大;上大下小的通风口组合对应的地面局部对流换热系数较小,平均对流换热系数较大;若室外温度为12℃左右时,室内初始温度为13～35℃,地面初始温度为33～41℃,则地面平均对流换热系数为2～8 W·m~(-2)·K~(-1),局部对流换热系数不超过18 W·m~(-2)·K~(-1).     

自然对流对螺旋管内湍流对流换热影响

采用控制容积有限元法对有自然对流影响的螺旋管内三维湍流对流换热问题进行了数值分析研究.螺旋管内湍流对流换热利用RNGκ-ε湍流模型进行模拟,近壁处湍流利用非平衡壁面函数法处理.数值迭代计算过程中,利用SIMPLEC算法求解速度与压力的耦合.数值计算详细揭示了螺旋管进口段内湍流混合对流换热的发展过程以及自然对流对传热努塞尔数的影响.     

不同加热边界下定热流时圆柱形腔体内自然对流传热特性

以一侧全开式圆柱形腔体为研究对象,在考虑腔体内工质(空气)物性参数随温度的变化以及腔体固壁内导热与腔体内空气自然对流之间相互耦合的基础上,采用RNGk-ε紊流模型对不同热流密度、腔体倾角以及3种不同壁面加热边界时腔体内的自然对流传热特性进行了三维数值模拟。3种加热边界分别为底面加热(工况I)、侧面加热(工况II)以及底面和侧面同时加热(工况III)。结果表明,定热流下的圆柱形腔体内和开口面的温度和速度分布、腔体内壁平均温度、底面与侧面的平均温差、腔体内壁的平均努赛尔特数等自然对流传热特性不仅受到热流密度和腔体倾角的影响,还受到腔体壁面加热边界的影响,如只有底面加热的工况I与存在侧面加热的工况II和III相比,前者自然对流传热特性相差较大。     

具有截面自然对流通道内湍流换热的直接数值模拟

对矩形管道内具有稳定自然对流的充分发展湍流换热进行了直接数值模拟，湍流雷诺数如和普朗特数Pr分别为400和0．71，格拉晓夫数Gr为10^4、10^5、10^6和10^7．分析了管道截面上雷诺应力对主流平均速度、截面流速以及截面平均温度的影响．结果表明：在Gr较小时，湍流雷诺应力的作用使截面的平均换热系数增大；在Gr为10^7时，浮升力的作用增强，但湍流产生的雷诺应力使自然对流的作用减弱．因此，与层流相比，在Gr相同时，湍流的管道截面平均换热系数反而减小．     

超临界压力下水在螺旋管内的混合对流换热

采用FLUENT 6．0 CFD商业软件，对螺旋管内超临界压力下水在发展段的层流混合对流换热特性进行了数值研究，细致地分析了螺旋管螺距、入口流动Grashof数和Dean数等对流动和换热的影响．研究结果表明，在超临界压力下，水物性参数的剧烈变化在垂直流动方向引起了很强的二次流动，同时由螺旋管引起的向心力也造成了很强的二次流，与相同尺寸直管道相比，螺旋管内二次流的存在大大强化了流动换热，但是也相应地增加了流动阻力，因此螺旋管入口De数越小，则二次流越大，摩擦阻力越小。同时，流动换热随质量流速的增加而增加。     

微重力条件下管肋式空间辐射器的传热分析

建立了航天器上常用的管肋式空间辐射器在微重力条件下的导热、对流和辐射相互耦合的复杂传热过程的数学模型，并考虑了管壁与肋片表面之间相互辐射的影响。整个模型的求解采用迭代法，管内流体的速度场和温度场的求解用ＳＩＭＰＬＥ算法，分别计算了肋片上的温度分布、管壁与肋片上的热流分布与管内对流换热的平均Ｎｕ数，得出了进行管肋式空间辐射器优化设计所必需的重要参数，同时还研究了重力场对辐射器传热的影响，对在地面上进行空间辐射器的模拟实验研究具有重要意义。     

地下水对地埋管换热器换热的影响分析

针对传统传热模型无法反映地下水对地埋管换热器换热的影响,结合黄土高原地区的地质条件,通过Fluent流体仿真软件建立地埋管换热器的三维非稳态分层渗流传热模型,并利用实验数据验证该模型的准确性.在不同的地下水流速和岩土体孔隙率的条件下,通过数值模拟的方法,研究以含水层厚度为特征长度的贝克莱数与地埋管换热器换热之间的关系.结果表明:单位井深换热量增加率与贝克莱数成对数关系;当贝克莱数较大时,地下水对地埋管换热器换热有促进作用;当贝克莱数较小时,地下水对地埋管换热的强化作用不明显,甚至起到抑制作用.同时,对含水层处的导热系数进行修正,得到新的分层渗流传热模型.     

空气冷却塔自然对流的数值研究

对于海勒式空冷塔在设计工况下因热交换而引起的自然对流现象,以及环境大气温度对空冷塔自然对流和热交换影响问题进行了数值研究.研究中,我们采用了非交错网格的有限体积方法求解包含浮力作用的雷诺平均Navier-Stokes方程,其中浮力项的处理采用联系密度和温度变化的Boussinesq近似.通过计算我们得到了空气流量和散热量与正比于Grashof数的温度无量纲量的关系,与一些实测数据十分吻合,可为优化设计参数、研究自然风的影响提供理论基础.     

水火弯板数值模拟中热源模型参数研究

水火弯板热源热流密度模型的选取和定义,是水火弯板数值模拟中一个关键问题．采用高斯分布热流密度模型对水火弯板中的气体火焰热源展开了研究,利用实验和数值模拟相结合的方法,通过在一定范围内调整热流密度模型中的热源半径r和热效率η等参数．使数值计算的温度场分布趋近于实验测量的温度场分布,确定了水火弯板热源热流密度模型．在一定丙烯流量范围内,分析了热源半径和热效率的插值偏差对计算结果的影响,结果表明该模型能够满足水火弯板数值计算的精度要求．算例验证了该热源模型在有限元计算中的可靠性．     

航空发动机涡轮流动及噪声数值模拟

发展可靠、高效、低噪声的发动机是航空工业不懈的追求. 涡轮作为航空发动机核心部件之一. 其流动及换热问题始终是贯穿航空发动机设计、制造的核心问题. 随着航空发动机风扇和喷流噪声得到大幅控制, 涡轮噪声逐渐凸显. 并日益受到关注. 为推动航空发动机涡轮流动换热及噪声数值模拟方法的工程应用, 首先. 以航空发动机涡轮中复杂湍流及流动换热问题为主线. 分别阐述了旋转盘腔、旋转叶片流动及换热问题数值模拟的研究现状; 其次. 对航空发动机涡轮噪声研究现状进行分析. 总结了常用涡轮噪声预测方法和存在的问题. 在此基础上. 面向工程实际需求. 对航空发动机涡轮流动、换热与噪声数值模拟进行了展望.