Hall效应对磁流体压缩管道电磁流动特性的影响

利用磁流体五波模型对低磁雷诺数下磁流体压缩管道中考虑Hall效应的流动进行数值模拟. 该模型由带有电磁作用强制项的Navier-Stokes方程组和考虑了Hall效应及离子潜行效应的电势Poisson方程组成, 数值格式分别采用严格保证熵条件的熵条件格式及中心差分格式. 数值模拟结果说明在压缩管道中心流动区域电流线发生扭曲, 并出现涡电流; 而Hall效应延缓了涡电流的产生, 同时该效应可引起流场、电场以及Joule热的不对称分布. 最后计算了磁流体压缩管道的性能参数, 通过与直方管道的比较, 说明Hall效应将导致磁流体发生器的性能下降, 而且直方管道的性能优于压缩管道.     

基于NPLS的超声速层流/湍流后台阶流动精细结构研究

在Ma=3.0低噪声、吸气式超声速风洞中,对台阶高度h=5mm的超声速后台阶流场进行了精细结构测量.通过改变台阶上游壁面的表面粗糙度,实现了超声速层流、湍流两种后台阶流动.采用NPLS技术对流场整体结构的时空演化特性以及4个局部典型区域的细节结构等方面进行了实验研究.瞬态流场揭示了扇形膨胀波系、再附激波、超声速边界层及其分离、再附和恢复等结构的空间特征.通过比较时间平均的结果,可知超声速湍流后台阶流动分离后的膨胀角较大、回流区的长度相对更短,而再附后重新发展的边界层厚度以较小的倾角增长,但两种流动的再附激波角度大致相同.在时间演化上,超声速层流后台阶流动主要表现为K-H涡结构的变形受剪切、膨胀、再附以及三维效应等影响;而湍流后台阶流动则主要表现为大尺度结构在再附点前后受膨胀、黏性以及再附后逆压梯度的作用而倾斜和变形.对局部区域的研究表明,在超声速层流后台阶流场中微弱压缩波与当地对流马赫数和K-H涡结构的诱导作用有关,并且在下游汇聚成再附激波的现象明显;而湍流后台阶流场中则未有明显的压缩波和K-H涡结构,其再附激波的形成主要与壁面的压缩效应有关.     

大型工业建筑中高温含尘气流的流动规律及控制方法

在工业生产中,粉尘是最主要的有害物形式,对建筑空气环境质量和作业工人健康的危害最大,尘肺病近年来一直呈现非常高的增长率,且占新增职业病病例总数的80%以上.在大型工业建筑中,室内粉尘释放量大,强污染源与强热源经常并存,室内气流流动影响因素复杂.为提高大型工业建筑室内环境质量并降低工业建筑能耗,必须依据高温含尘气流流动特性,进一步提高工业通风系统对粉尘的控制能效.本文介绍了模型实验和数值模拟两类研究手段用于工业建筑高温含尘气流研究的基本方法,分析了两者在不同研究内容方面的适用性以及相互补充关系.以大型冶金钢铁企业厂房为例,分别通过模型实验和数值模拟手段,针对大型工业建筑的典型源项特点和限制条件,阐明了高温含尘气流流动的基本特性,揭示了通风系统风量与捕集效率之间的非线性规律,分析了两类研究手段的相互补充关系,提出了提高含尘气流捕集效率的途径.通过案例分析表明,利用不断发展的实验测试条件和数值模拟技术,将有助于完善精细化设计的基础理论,并推动相应的高效通风技术应用于工程实际.     

湍流中的多态现象

湍流是自然界最普遍的流动现象之一,被称为是经典力学中最后的难题之一.经典的湍流理论都假设湍流是各态遍历的,也就是说虽然瞬时流场的性质可能受初始流场影响很大,但是其统计平均量却是不依赖于初始流场的.各态遍历理论是湍流理论与建模的基础.然而,近些年一些实验和数值模拟的结果表明:部分湍流问题里存在多湍流态现象,即在同一组参数下可能存在不唯一的统计结果和流动结构.本文回顾已经报道过多态现象的Rayleigh-Bénard对流(Rayleigh-Bénardconvection,RBC)、 vonKármán流动(vonKármánflow,VKF)、Taylor-Couette流动(Taylor-Couette flow, TCF)、球形Couette流动(spherical Couette flow, SCF)、Taylor-Green驱动下的旋转湍流(rotating homogeneous turbulence with Taylor-Green forcing, TGF)以及作者研究的展向旋转平板Couette流动(rotating plane Couette flows, RPCF).在每个问题上,都将一一介绍流动问题的定义、多态现象出现的条件、形态等.在这些多湍流态问题里,有一些流动是由于不同的初始流场引起的不同流态(例如VKF,TCF,SCF,TGF和RPCF);而另一些流动则是在同一种初始条件下,随着时间的推移,流动会在不同流态之间自发切换(例如RBC).最后,还对湍流中的多态问题展开一些讨论和展望.     

深水天然气水合物及其管道输送技术

深水天然气水合物是具有广阔应用前景的非常规天然气资源.开采出的深水天然气水合物通过管道输送是实现水合物资源开发、利用的关键环节.输送过程中,管道内的压力、温度会不断发生变化,使得管道内出现伴随水合物生长或分解的复杂气液固三相流动.本文介绍了天然气水合物资源分布情况和开采方式,综述了近年来天然气水合物生长、分解动力学和含水合物颗粒的气液固多相流动方面的研究进展,分析了深水天然气水合物输送管道的安全性.指出未来在深水水合物输送方面应坚持实验与理论相结合的研究手段,着重开展以下三个方面的研究内容:第一是考虑管流作用下天然气、水、水合物三相界面之间的传热传质特点,以及气液流速、流型对传热传质的影响,建立多组分气体水合物生长、分解动力学模型;第二是综合考虑水合物颗粒的微观受力和流体对固相的携带能力,分析水合物颗粒的聚集特征、流动特性以及在管道中的沉积规律;第三是考虑水合物颗粒的生长、分解与管道内流速、流型和压降之间的耦合作用,建立伴随水合物颗粒生长、分解、聚集、沉积的气液固多相管输模型,定量描述水合物颗粒的发展过程和三相流动规律,为深水天然气水合物输送管道的设计、运行和管理提供理论与技术支撑.     

高含硫天然气输送管道内硫沉积研究进展

高含硫天然气在管道输送过程中,随着压力、温度和气质组分等条件的变化,气相中发生过饱和溶解析出的硫分子会逐渐形核、生长成为固体硫颗粒随气流一起在管道内运移,并会沉积在管道内壁.管内沉积的硫颗粒将会堵塞和腐蚀管道,严重威胁高含硫天然气管道的输送安全.本文针对高含硫天然气输送管道内硫沉积问题,综述了近年来高含硫天然气中元素硫气固相平衡计算、硫颗粒生长动力学、含硫颗粒的气固两相管道输送方面的研究进展.指出在高含硫天然气集输过程中硫沉积预测及防治方面应坚持实验与理论相结合的研究手段,着重开展以下3个方面的研究:(1)充分考虑集输压力、温度条件下(P≤15.0 MPa,T≤333.15 K)硫溶解度极低的特点,建立硫溶解度测试实验装置,开展集输管道压力、温度范围内的硫溶解度实验研究;(2)采用微观分子动力学模拟与宏观热力学参数统计分析相结合的方法,建立硫颗粒的生长动力学模型,结合结晶动力学理论模型深刻揭示集输条件下硫颗粒的形核、生长与消融动力学规律;(3)综合考虑硫颗粒的生长、消融、运移、沉降规律与管道内压力、温度、气质组分、流速等参数的耦合作用,建立伴随元素硫气固相态变化和硫颗粒生长、消融的气固两相管输模型,定量描述高含硫集输条件下硫颗粒的析出、生长及其与高含硫天然气的气固两相流动规律,最终为集输管道乃至整个集输系统内硫沉积防治方法的确立提供技术与理论支撑.     

透平叶栅中三维湍流的数值计算

先进叶轮机械中的流动过程是非常复杂的,高速大容量计算机技术的飞速进步促进了计算流体力学的发展,这将非常有利于叶轮机械流动的设计与分析,与无粘流场解法相比,N.S.方程解法提供了诸如粘性损失和传热等粘性效应的信息,但是,N.S.方程解法的计算和程序的编制比较复杂,因此要求应用有效的方法使得计算费用不至于太昂贵,目前人们正致力于使粘流的计算方法能付之于工程实际中应用,本文在应用非正交曲线坐标系表示的基本方     

40m烟囱塔架结构设计与分析

文章以40m高烟囱塔架的实际工程为研究对象,采用ANSYS有限元分析软件耦合模拟塔架与管道的相互作用.对塔架、管道整体模型分别在风荷栽和地震作用下与3D3s设计的烟囱塔架模型进行对比分析,得出一些有益的结论.其研究结果为该结构的设计提供了依据,也为同类结构的研究提供参考.     

音速管道列车

正美国亿万富翁艾伦·马斯克最近发布了音速管道列车计划,希望激发交通新时代的到来。一旦建成,乘坐管道列车从洛杉矶到旧金山(全程613千米)只需30分钟,比坐飞机省时一半。管道列车理念基于气流输送管,一些办公楼已经采用这种系统在各层之间传输文书文件。对于管道列车来说,气流输送管里的文件舱变成了车舱。每个车舱将容纳6~8名乘客(甚至几辆小轿车),在低压管道中     

微纳通道中牛顿流体毛细流动的研究进展

毛细流动广泛存在于自然科学与工程技术等诸多领域,微纳通道中毛细流动近年来在微纳机电系统、生物医学、环境监测、石油开采、多孔介质渗流等领域获得了广泛应用.描述宏观牛顿流体毛细流动过程的是Lucas-Washburn(LW)模型,该模型在微纳通道中的适用性还没有定论,因而受到国际学术界关注.本文从理论模型、数值模拟和实验研究3个方面综述了微纳通道中牛顿流体毛细流动的研究进展,已有的研究表明需要对毛细流动进行分区讨论:(1)惯性力作用区,流动距离与时间t成正比;(2)黏性力-惯性力作用区,惯性力、毛细力、黏性力均对流动有影响;(3)黏性力作用区,黏性力与毛细力平衡,流动距离与t~(1/2)成正比;(4)竖直管道中还需要考虑重力的影响,存在黏性力-重力作用区.在黏性力作用区,LW模型仍然可以定性描述微纳通道中毛细流动过程,但需要引入动态接触角、气泡、电黏性等影响因素的修正.最后针对目前实验研究中存在的一些问题,总结有待深入研究的方向.另外,本文也对非牛顿流体毛细流动的研究做了简单介绍和展望.     

太阳平板空气集热器的优化设计变量确定简析

简析太阳平板空气集热器优化设计的设计变量确定.列出并分析空气集热器的几何、物性与流动三类参数,给出优化设计变量选择的一些具体分析.基于平板集热器的结构组成与工作过程,由设计制造关系、设计过程、设计计算等角度讨论设计量、设计变量、优化设计变量等层次的变量关系及设计变量选择,并讨论了系统连接、设计方法、优化算法等方面对优化设计变量选择的影响.     

提高抑制流动分离能力的等离子体冲击流动控制原理

由于介质阻挡放电等离子体气动激励诱导的气流速度及其抑制流动分离的能力难以显著提升, 因此研究新的技术途径提高等离子体气动激励抑制流动分离的能力是十分必要的. 提出基于冲击气动激励的等离子体冲击流动控制原理, 包括冲击激励、涡流控制、频率耦合等内涵, 通过理论研究、实验和数值仿真, 研究了等离子体冲击气动激励机理, 以及等离子体冲击气动激励提高抑制流动分离能力的原理, 并在100 m/s来流速度下验证了等离子体冲击流动控制原理的有效性.     

人工心脏双叶翼型机械瓣膜定常流模拟实验研究

用三维定常流模拟心室峰值射血期主动脉根部的三维准定常流动,对双叶翼型人工机械心瓣进行了早期部份关闭性能及阻力指标的实验研究,得到了瓣叶弯度、早期关闭角及跨瓣压差的优化参数,为用机翼流场理论设计双叶翼型人工机械心瓣,提供了重要的实验依据。     

南海北部琼东南海域活动冷泉流场特征初探

冷泉是甲烷流体运移的一种重要地质过程.作为一种重要的温室气体,海底冷泉处渗漏的甲烷流体,对全球气候变化具有重要的影响.因此,冷泉流场的研究对于冷泉地质过程和全球气候变化都具有重要的意义.本研究基于PIV(particle image velocimetry)技术,对南海琼东南海域新发现的活动冷泉视频资料进行了活动冷泉的流速流场的模拟定量研究.研究区活动冷泉的释放有两种形式:一种是天然气水合物分解形成甲烷气泡,缓慢地逸散至海水;另一种则是含甲烷流体从喷口快速喷发形成羽状流. PIV计算的结果显示,活动冷泉羽状流流场运动方向整体向上,内部为复杂的湍流,其流线呈现出蜿蜒的形态,冷泉羽状流的运动方向与流速大小均随时间的改变而改变.尽管存在一定的系统误差,但PIV计算的结果仍然是可信的,并且具有低成本、速度快、分辨率高等独特的优势.与热液流场相比,冷泉流场的研究程度相对较低,未来需要更多的工作来定量描述冷泉流场,并分析冷泉流场的变化规律.     

基于微丝的PDMS微流动通道制作技术

微流动通道是微流控芯片的重要组成部分, 其加工技术的每一步进化或简化一直为国际学术界与工业界所重视. 提出了一种基于微丝的PDMS微流动通道制作技术. 该技术利用一些简单的模具辅助固定和布置微丝, 然后将PDMS预聚物浇注于模具中浸没微丝并固化, 固化后抽出微丝形成PDMS微通道或通道阵列, 在与通道垂直的方向上打孔并封装, 形成与通道外部物质交换的接口. 实际制作通道时可采用商用化的金属微丝(如不锈钢微丝), 直径从100~20 μm不等. 较为详细地介绍了利用这种技术来构建多种拓扑结构的二维或三维通道或通道阵列, 例如直通道、交叉通道、弯曲通道等的能力. 进一步, 基于金属微丝的电磁特性, 这样的微通道制作工艺还被应用来构建出适于电磁控制和温度控制的微流动通道装置. 最后, 通过圆截面微通道的光路分析、微通道内粒子流动的图像测速(Micro-PIV)与微液滴形成实验及分析进一步印证了这种微流动通道制作技术的可行性和适用性.     

螺旋通道内流体流动与传热特性研究进展

螺旋通道是提高流体传热及传质效率的重要结构,以其节省空间及易于加工的特点被广泛应用.而通道内流体的流动和传热特性作为评价螺旋通道的重要性质,对其实际应用具有重要的指导意义,成为近年来的研究热点.而研究重点主要集中在螺旋通道的结构参数和流动工质两个方面,本文对螺旋通道内流体流动与传热特性研究进行综述,总结了螺旋通道结构及流动工质对其性能的影响规律;具体分析了螺旋通道直径、管径、螺距、截面形状等结构参数以及流动工质种类、浓度等物性参数对其传热系数和流动阻力的影响;对比了层流及湍流状态下实验和数值模拟结论;为螺旋通道结构优化及工质选取提供了参考,并且展望了螺旋通道内流体流动及传热特性研究的发展趋势.     

青藏高原与低纬度地区大气环流的一些关系

青藏高原是全球最高的大高原,是影响全球大气环流的重要因子之一。尤其是夏季高原上空的青藏高压不仅影响北半球流场,而且与南半球流场直接相关。文献[1,2]把青藏高压看作对流层上层的大尺度阻塞高压,对于低纬度纬向气流是巨大的障碍。最近我们进一步研究了夏季青藏高原在低纬地区突出的加热效应,讨论了青藏高原对全球低纬地区平均经圈环流的影响,还研究了拉萨和南、北半球低纬遥远地区一些台站200毫巴高度变化趋势的相关。     

激波不稳定性效应的k-ε可压缩修正湍流模型

针对高速可压缩湍流流动, 在已有的压力膨胀项和可压缩耗散率的可压缩性修正湍流模型基础上, 引入激波不稳定效应修正, 发展了一个新的可压缩性修正k-ε湍流模型. 新模型采用抑制湍流动能和耗散率方程中湍流动能产生项的方法模化激波不稳定性效应, 压力膨胀项和可压缩耗散率的可压缩性修正采用广泛使用的Sarkar修正模型. 新模型物理意义明确, 形式简单, 可适用于超声速复杂湍流流动. 对自由流动中超声速混合层和复杂的超声速横侧射流干扰流场的多个工况进行计算分析以及与实验结果的比较, 表明本文发展的k-ε模型能抑制过大的湍流动能增长, 预测结果显著优于标准k-ε模型. 对超声速混合层流动, 新模型准确预测到了混合层增长速率随对流马赫数增加而减小的趋势, 与实验结果符合地较好. 对复杂横侧射流干扰流场中的分离流动, 激波不稳定性修正抑制激波区域过大的湍流动能增长, 计算出较宽的激波区域, 从而显著改善了对强分离流动的预测结果. 流体分离越强, 修正模型效果越明显, 即使在强分离情况下, 新模型的预测结果也与实验结果较好吻合.     

声学黑洞研究进展与应用

声学黑洞结构作为一种新型的弯曲波调控技术,可以有效地降低结构中弯曲波的传播速度,减小边界末端的反射,形成具有高能量密度的区域,因此在减振、降噪、波动调控以及能量回收等方面具有广阔的应用前景.不同于以往复杂的减振降噪复合结构,声学黑洞因其结构与材料单一,在实际应用方面具有一定的优势.时至今日,针对声学黑洞结构已经进行了大量的基础理论研究和实验探索,并取得了一定的阶段性研究成果.本文首先介绍了声学黑洞的起源和基本原理.然后,全面介绍了理论计算和实验研究方法,详细地综述了声学黑洞结构的4个主要功能性分类,即减振、降噪、波动调控和能量回收,并总结了现在研究存在的问题.最后,对声学黑洞的发展前景进行展望,并指出了未来研究的重点和方向.     

40m烟囱塔架结构设计与分析

文章以40m高烟囱塔架的实际工程为研究对象,采用ANSYS有限元分析软件耦合模拟塔架与管道的相互作用。对塔架、管道整体模型分别在风荷载和地震作用下与3D3S设计的烟囱塔架模型进行对比分析,得出一些有益的结论。其研究结果为该结构的设计提供了依据,也为同类结构的研究提供参考。