层流下不同扩张比对后向台阶流动和传热特性的影响（英文）

建立三维数值模型以研究低雷诺数范围内(50≤Re≤250)不同扩张比对后向台阶流动和传热特性的影响.在宽高比恒为16的条件下,改变扩张比分别为1.5,2.0,3.0,通过Fluent计算得到流场和温度场等.结果表明:扩张比为2.0时的数值模拟结果与先前的实验结果吻合的很好.三维后向台阶底面再附着点的分布呈抛物线状分布.当雷诺数Re=200时,随着扩张比的增大,三维后向台阶上壁面两个对称旋涡的尺寸逐渐增大,底面中心线上的Nu峰值逐渐增大,并且再附着点的位置更接近于台阶.与二维数值模拟相比,在同一扩张比下,三维后向台阶底面中心线上的Nu峰值小于二维后向台阶底面Nu的峰值.     

铜带材气悬浮退火过程中的气体流动与气固传热特征

对气垫炉加热段内0.6 mm厚紫铜板材处理过程中的气体流动和气固传热进行研究,改变板材移动速度和悬浮高度,对气流速度、温度、湍动能的分布及努塞尔数(Nu)进行对比与综合分析,系统地评价板材的处理效果与气垫炉的运行稳定性。研究结果表明：随着板材移动速度增大,板材表面的温度和Nu分布趋于均匀,驻点位置向板材运动方向偏移;Nu的平均值增大,传热效率提高。驻点上游流动分离区内的速度和湍动能均比下游侧的低。板材悬浮高度增大,驻点附近的湍动能下降,而流动分离区的旋涡被拉伸,热传递在流向和展向均被增强;同时,温度和Nu分布更均匀,Nu的平均值增大。     

扩缩通道内流动和换热非线性特性的数值模拟

对扩缩通道内流动与换热进行了数值模拟并探讨了其中的非线性特性.通过对不同突扩比ER、不同长宽比AR及不同雷诺数Re下通道内流场和温度场进行分析,给出在一定工况下对称通道内流体的流动和换热会出现偏斜等非线性现象的情况.数值模拟结果表明,存在临界雷诺数Rec使流体流动和换热形态发生转变,当Re超过Rec时,流体流动和换热不仅有对称解,还有非对称解;当Re继续增大时,流体流动和换热出现振荡.通道的几何尺寸及后缩段(表现为ER及AR)都对Rec产生影响.分析结果表明,当Re超过临界雷诺数Rec时,同一截面处上下壁面的局部努塞尔数Nu也由对称向非对称转变,上下壁面出现最大局部Nu的位置也不同.     

长江口深水航道及横沙东滩促淤圈围对滞流点的影响

滞流点位置的变化对河口拦门沙的形成和泥沙淤积具有极大的影响.基于MIKE3软件建立长江口水动力和盐度输运三维数学模型,采用实测资料对模型的潮位、流速、流向和盐度进行验证.运用验证好的数学模型模拟和分析长江口深水航道工程及横沙东滩促淤圈围工程对河口滞流点位置的影响,结果表明,(1)应用改进的近底层平均单宽通量计算公式确定滞流点的位置,验证结果良好,可以用该公式确定滞流点的位置;(2)深水航道工程的建设增大了水深和涨落潮流速,各汊道内落潮流量的增加明显高于涨潮流量的增加,且滞流点均向下游移动;(3)横沙东滩促淤圈围工程建成后,北港滞流点向下游移动约5km,北槽和南槽的滞流点则向上游移动约1km.     

出口高度对过渡流态后向台阶传热特性的影响

建立了过渡流状态下2维不可压缩后向台阶流的非定常数值计算模型,研究了后向台阶的出口高度H对底面时均努塞尔数Num、流道中流场温度场分布和近壁面流动传热参数等的影响.结果表明:减小H,主峰附近的Num提高,双峰现象明显;增加H,主峰下游的Num提高,主峰和次峰的间距增大;H越小,流道中正旋涡、负旋涡的相互作用越强烈,冷流体和热流体间的对流换热增强,Num增加,但下游底面的温度梯度减小,Num减小;Num的主峰位置与表面摩擦系数为0的位置不保持重合;法向速度分量、温度随着时间的波动程度影响Num的分布.     

周向喷嘴数对旋流冷却流动传热特性的影响

为了研究在旋流腔周向布置多个喷嘴对旋流冷却特性的影响,分别建立了保持喷嘴几何尺寸不变和保持喷嘴进口总面积不变的旋流冷却模型。在相同质量流量和喷嘴长宽比的条件下,采用数值计算方法,研究了周向喷嘴数对旋流冷却特性的影响,并分析、对比了两种情况下旋流冷却性能的差异。研究结果表明:当保持喷嘴几何尺寸不变时,靶面平均Nu随周向喷嘴数增加而逐渐减小,但靶面Nu分布更加均匀,由于下游冷气速度受轴向横流影响较大,高Nu区向下方偏移,旋流腔冷气涡数目随周向喷嘴数增多而逐渐减少,冷气总压损失也随之减少;当保持喷嘴进口总面积不变时,随着周向喷嘴数的增加,靶面高Nu区面积和靶面平均Nu先增大然后略有减小,都在周向喷嘴数为2时达到最大值。由于下游冷气速度受轴向冲击影响较小,在旋流腔轴向下游处,靶面展向平均Nu略有提高,而总压损失随着周向喷嘴数的增加逐渐增加。     

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.     

近壁圆柱绕流中直径对壁面强化传热的影响

为了研究过渡流下在壁面附近插入不同直径圆柱对壁面强化传热的影响,采用基于复合网格系统的数值计算方法,在雷诺数Re=200时,对圆柱直径D为5～14 mm的近壁圆柱绕流进行了数值计算.利用低速循环水槽试验台进行可视化流动试验,以验证数值计算方法的可靠性.结果表明:近壁插入圆柱可以使流动提前进入利于传热的过渡流状态;当间隙比C/D(C为圆柱与下壁面之间的距离)相同时,改变D仅影响Nu/Nu0曲线第2个波峰的大小和发生位置;D越大,圆柱尾流中周期性脱落的涡以及壁面旋涡的大小和强度越大,且发生位置逐渐向下游移动;过渡流范围内D越大,圆柱下游壁面强化传热越大、作用区域亦越大;不同D下,Nu/Nu0曲线第2个波峰达到最大的最佳插入位置C基本保持不变,D越大,最佳间隙比C/D越小.     

空气射流冲击下柱鳍热沉散热特性实验研究

电子系统微型化、大功率的发展趋势,以及对系统性能和可靠性的需求,要求电子元件具有更为强大的散热性能.空气射流冲击,尤其与其他表面强化传热方式的结合是一个很好的选择,采用这种散热方式几乎能达到与液体冷却相当的散热能力.选用3个不同肋高的矩形柱鳍热沉对空气射流冲击矩形柱鳍热沉进行传热特性的实验研究.首先,分别获得了这3个热沉的热阻(θab)随Re数及H/D变化的实验数据和对应这3个热沉的模拟芯片表面的平均努塞尔数(Nu)随Re数及H/D变化的实验数据;其次,选用合适的函数形式对实验数据采用最小二乘法拟合,得到了此实验条件下关于Re、H/D及肋片高度Hf的准数方程.实验结果表明,随Re或H/D的增大而减小,但当Re或H/D增大到一定程度时,θab减小的幅度就不再明显;Nu数关于Re、H/D及肋片高度Hf的实验公式,其相对误差小于9%;在3159≤Re≤15798的范围内,这种冷却方式下的对流换热系数可达500～1100W/(m·2K).     

进口端壁不重合对跨音速透平叶栅端壁流动和传热特性影响的研究

为了评估燃气轮机燃烧室出口与透平第一级喷嘴导向叶栅端壁不重合对叶栅端壁热负荷分布和运行寿命的影响,采用商用 CFD 软件 ANSYS FLUENT 数值研究了进口端壁不重合度（进口后向台阶结构）对跨声速叶栅端壁流动和传热特性的影响规律。计算了进口湍流强度 Tu1 = 16%、出口马赫数 Ma2 = 0.85 时,2 种进口后向台阶高度（0 mm, 6.78 mm）下,跨音速叶栅端壁传热系数,并与实验结果进行了比较,验证了所提基于 RSM（Reynolds stress model）湍流模型数值方法的准确性。分析了 6 种进口后台阶高度（0 mm、1.5 mm、3 mm、5 mm、6.78 mm、10 mm）下的跨音速叶栅端壁热负荷分布、近端壁二次流结构、后台阶涡系发展和气动损失。研究结果表明：由于进口台阶结构的影响,在叶片前缘上游区域形成了显著的再附着涡、空腔涡和辅助涡等复杂的后台阶流涡系;后台阶流再附着涡系使叶片前缘上游区域形成显著的高传热区;随着进口台阶高度的增大,该高传热区控制面积和传热系数均逐渐增大,最大传热系数增大了 90%~160%,高传热区的位置逐渐向下游移动,形状逐渐由节距方向的“条形”演变为“C”字形,两端向叶栅通道内部迁移;进口台阶结构导致叶栅通道总压损失系数增大了 0.17%~0.45%,台阶高度为 3 mm 时,总压损失系数最大。     

进口端壁不重合对跨声速透平叶栅端壁流动和传热特性影响的研究

为了评估燃气轮机燃烧室出口与透平第一级喷嘴导向叶栅端壁不重合对叶栅端壁热负荷分布和运行寿命的影响,采用商用CFD软件ANSYS FLUENT数值研究了进口端壁不重合度(进口后向台阶结构)对跨声速叶栅端壁流动和传热特性的影响规律。计算了进口湍流强度Tu1=16%、出口马赫数Ma2=0.85时,2种进口后向台阶高度(0、6.78mm)下,跨声速叶栅端壁传热系数,并与实验结果进行了比较,验证了所提基于RSM(Reynolds stress model)湍流模型数值方法的准确性。分析了6种进口后台阶高度(0、1.5、3、5、6.78、10mm)下的跨声速叶栅端壁热负荷分布、近端壁二次流结构、后台阶涡系发展和气动损失。研究结果表明:由于进口台阶结构的影响,在叶片前缘上游区域形成了显著的再附着涡、空腔涡和辅助涡等复杂的后台阶流涡系;后台阶流再附着涡系使叶片前缘上游区域形成显著的高传热区;随着进口台阶高度的增大,该高传热区控制面积和传热系数均逐渐增大,最大传热系数增大了90%～160%,高传热区的位置逐渐向下游移动,形状逐渐由节距方向的"条形"演变为"C"字形,两端向叶栅通道内部迁移;进口台阶结构导致叶栅通道总压损失系数增大了0.17%～0.45%,台阶高度为3mm时,总压损失系数最大。     

上游台阶结构对跨声速透平叶栅端壁气膜冷却性能的影响

为了评估上游台阶结构对端壁气膜冷却性能的影响,采用商用CFD软件ANSYS FLUENT数值研究了上游后向台阶结构对跨声速透平叶栅端壁上游双排离散气膜孔冷却效率的影响。模拟某工业燃气透平真实运行工况(进口湍流度T_u=16%、出口马赫数Ma_(ex)=0.85、出口雷诺数Re_(ex)=1.5×10~6),采用基于两类热边界条件模型的壁面换热系数和绝热冷却效率数值预测方法,计算分析了在设计工况吹风比为2.5下,具有不同上游台阶高度(ΔH=0,3,6.78,10mm)的跨声速透平叶栅端壁热负荷分布、气膜冷却效率分布和近端壁二次流场结构。研究结果表明:上游台阶结构改变了近端壁流场,在台阶下游形成强度较大的空腔涡等复杂涡系结构,显著影响了端壁的热负荷和冷却气膜覆盖分布;随上游台阶高度的增加,叶栅通道上游端壁传热逐渐增强,形成显著的条状高传热区;端壁冷却效率呈现先增大后减小的变化趋势,在ΔH=6.78mm时,端壁气膜覆盖效果最好;在ΔH=10mm时,上游离散孔冷却射流被限制在近吸力面三角区域,端壁冷却效率低于无进口台阶结构。     

Mg,Zn掺杂GaN的电子结构与光学性质的计算

运用超软赝势平面波第一性原理方法对Mg,Zn掺杂GaN的晶格参数、电子结构与光学性质进行了计算,结果得到GaN晶体掺杂Mg,Zn后晶格常数变大,带隙由2.084eV变为2.157,1.934eV;折射率由2.361增大为5.93,5.81,消光系数峰值向低能方向移动;静态反射率增大,反射峰值增大且位置向高能方向移动;吸收峰值由3.97减小为2.76,2.75,位置向低能方向移动;能量损失峰的位置向低能方向移动.     

气膜孔几何位置对旋流冷却流动与传热特性的影响

为了研究气膜孔几何位置对旋流冷却特性的影响,建立了带有气膜孔的旋流腔冷却结构,利用流体动力学软件ANSYS CFX对比分析了有无气膜孔情况下旋流冷却性能的差异,并研究了气膜孔轴宽比和周向角度对旋流冷却流动和换热特性的影响。研究结果表明:气膜孔对旋流腔靶面旋流冷气运动产生强烈扰动,使气膜孔上游冷气流速增加,下游冷气流速降低;气膜孔使主流流线向斜下方偏转,增强了整体换热强度且整体压力分布趋于均匀;轴宽比从0.3增加到0.7,气膜孔对整体流动和传热影响不大,轴宽比增加到0.9,主流小旋涡消失且靶面Nu分布更均匀;周向角度小于0°时,随着周向角度的增加,气膜孔上游高速区增大,周向角度超过0°后,高速区随周向角度增长不明显;随着周向角度增加,周向平均压力系数增加,气膜孔附近高Nu区扩大,靶面高Nu区分布更均匀。     

考虑转捩的SST模型在冲击射流传热中的应用

针对基于RANS方法的湍流模型对冲击射流传热中难以准确预测的问题,基于SST k-ω模型耦合Kato-Launder模型和间歇性湍流模型,提出了一种考虑转捩的SST湍流模型用于射流传热中的数值模拟研究。在冲击距离H/B=4、雷诺数Re=20 000的情况下,通过将传热和平均速度两个方面的数值计算结果与实验数据以及其他数值计算结果作对比,表明建立的数值模型方法准确地预测了努塞尔数的分布及其第二峰值的位置和流场结构。在此基础上研究了冲击距离分别为2、4、9,Re=20 000时沿壁面的压力分布和努塞尔数分布的情况,发现当H/B≤4时,下游压力沿着壁面逐渐增大,此时努塞尔数第二峰值的特征明显;当H/B=9时,下游压力几乎不变,同时努塞尔数第二峰值消失。结果表明,第二峰值与逆压梯度存在着一定的联系。     

过渡流下叉排圆柱列的可视化实验研究（英文）

为了保证缩小管径后的换热器空气侧换热性能良好,研究过渡流下不同雷诺数(Re=120,150,200),不同横向间距(P_s=2D,3D,4D,5D,6D)的叉排圆柱列的流动特性,采用PIV二维粒子图像测速系统对过渡流下不同工况的叉排圆柱列进行可视化实验研究.结果表明,P_s及Re的变化对上游和下游圆柱的涡量场、速度相关量有不同的影响.Re一定时,随着P_s的增大,下游对上游的整流作用逐步削弱.P_s一定时,随着Re的增大,整流效果越来越不明显.Re一定时,每组P_s下的速度比值曲线都呈现出"速度恢复"现象.并且随着P_s的增加,上游圆柱对下游圆柱来流速度所起到的加速效果逐步加强.     

迷宫密封传热特性的数值研究

采用包含固体域和流体域的耦合传热数值求解方法,研究了典型燃气轮机迷宫密封的传热特性,并与实验值进行了对比.通过计算得到了2种间隙下13齿迷宫密封转子面和静子面附近的努力塞尔数Nu分布,计算值与实验值吻合良好.研究结果表明:在所考核的涡黏湍流模型中,由k-ω和SST湍流模型计算得到的Nu与实验值吻合良好,标准k-ε湍流模型和k-εRNG湍流模型计算得到的Nu比实验值约高70%;对于直通型光滑面迷宫密封,在静子面上,第1齿前区域的Nu沿轴向逐渐增大,齿后区域的Nu在某一值上下波动;在转子面上,腔室区域的Nu沿轴向逐渐增大,齿尖区域的Nu有较大突跳.静子面上Re对迷宫密封平均Nu的影响大于转子面;随Re的增加,静子和转子固体域的温度梯度逐渐增大,但Nu分布曲线的形状基本不变.     

水流绕过二维方形障碍物的湍流数值模拟

采用了混合有限分析求解方法对湍流绕过二维方形障碍物进行了数值模拟,模拟雷诺应力项时采用了布辛涅斯克假定.采用了k-ε双层模型进行计算,通过与文献中的实验结果及数值计算结果的比较验证了本计算方法的有效性.模拟结果表明k-ε双层模型较壁面函数法预测湍流绕过方形障碍物时更为准确;障碍物高度及流动条件不变时(Re=1.4×104,H=1.0),随着方形障碍物长度的变化,障碍物上游的旋涡Ⅰ的长度基本上没有变化,而在障碍物的下游当L/H≥4时旋涡Ⅱ的长度也基本上保持不变.     

后台阶气固两相流动的PDPA实验

为了获得后台阶气粒两相湍流的流动特征,用相位Doppler粒子动态分析仪(PDPA)对其进行了实验研究。45μm颗粒速度几乎都大于相应位置上的气相速度,而脉动速度分布与气相相似,具有双峰结构。颗粒平均速度和脉动速度的分布在不同Re下是相似的,其流向脉动速度的最大值在7~8倍后台阶高度的流向距离之前,大致能够保持不变,但此后会显著减小,并在12倍后台阶高度的距离之后整个截面分布趋向均匀。随着Re的增大,颗粒相的回流区长度也逐渐变长。这些结果为认识颗粒相的流动规律以及发展和改进颗粒相数值模型提供了依据。     

串列风力机三维尾流场的实验研究

为了提高风电场效率,减小上游风力机尾流对下游风力机的影响,风电场中风力机的布置形式尤为重要.利用轴流式风机提供来流风速,使用三维超声波风速仪获得两台100 W水平轴风力机在不同串列间距时的尾流场速度分布及尾迹流动扩散规律.结果表明:在同一测量断面上随着径向距离的增大,轴向速度先增大后减小;随着串列间距的增大,相同测量断面上轴向速度逐渐增大,径向速度的波动幅值和频率减小,切向速度波动幅值减小.当径向距离为2倍风轮半径时,尾流流场中切向速度的波动幅值相差不大;串列间距不变时,随着轴向距离的增大,轴向速度逐渐增大,且速度变化幅度逐渐趋于平缓,速度峰值也由风轮中心沿径向向外推移,径向速度和切向速度的波动幅值减小.上游风力机的存在使得尾流流场中径向速度和切向速度的波动幅值增大,同时使得下游风力机输出功率减小.风电场规划中应尽量避免风力机串列布置.