粗糙壁面Rayleigh-Bénard湍流热对流研究进展

粗糙壁面湍流广泛存在于自然界和工程技术等诸多领域,对其深入研究具有重要的理论价值和现实意义,既可以帮助揭示湍流边界层中的结构生成和动力学过程,又与很多实际应用息息相关.本文主要关注RayleighBénard湍流热对流这一典型的封闭湍流系统,着重评述了近年来粗糙壁面热对流领域内的若干研究新进展,包括粗糙壁面如何增强/减弱系统的整体热输运效率、粗糙壁面是否有利于终极区间的实现等.最后,对今后的研究工作进行展望.粗糙壁面对湍流输运的影响需要更进一步对边界层精细测量研究,粗糙壁面所引发羽流等湍流结构的生成和分离,与大尺度环流的单涡流动结构和多涡流动结构演化发展研究相对较少,粗糙元几何结构导致对称性流动结构的影响研究仍需更深入的探讨.     

展向和流向间距不同的粗糙元壁湍流ADV实验研究

为了揭示粗糙元对壁湍流的影响,采用声学Doppler流速仪(ADV)对布有展向或流向圆柱形粗糙元的壁湍流进行了实验测量。研究了不同Reynolds数下不同间距粗糙元对壁湍流流向平均速度和湍流度的影响。结果表明:在同一Reynolds数下,粗糙元展向间距为7倍直径时的壁湍流流向平均速度最小,湍流度最大。粗糙元流向布置的壁湍流流向平均速度随粗糙元间距的减小而减小,湍流度随粗糙元间距的减小而增大。相比流向粗糙元,展向粗糙元对湍流流动特性影响更大。研究结果对壁湍流流动控制和强化换热的工程应用具有指导意义。     

二硫化钼-氧化石墨烯纳米粒子的添加量对水性聚氨酯丙烯酸树脂涂层防腐蚀性能的影响

金属腐蚀给世界经济带来巨大损失, 防止金属腐蚀成为人们关注的焦点. 采用一种简单的方法合成二硫化钼-氧化石墨烯 (molybdenum disulfide-graphene oxide, MoS$_{2}$-GO), 将其作为纳米填料加入水性聚氨酯丙烯酸树脂 (waterborne polyurethane acrylic, WPUA) 涂层, 解决金属腐蚀的问题. 首先, 利用氨基丙基三乙氧基硅烷 (aminopropyltriethoxysilane, APTES) 对二硫化钼进行改性合成硅烷偶联剂改性二硫化钼 (molybdenum disulfide modified by silane coupling agent, A-MoS$_{2}$); 然后, 将 A-MoS$_{2}$ 与氧化石墨烯 (graphene oxide, GO) 在 N, N-二甲基甲酰胺 (dimethyl formamide, DMF) 中进行反应得到 MoS$_{2}$-GO 纳米粒子; 最后, 按照不同添加量 (0%、0.2%、0.4%、0.6%、 0.8% 和 1.0%) 将其加入 WPUA 涂层. 结果显示: MoS$_{2}$-GO 纳米粒子成功合成, 对比发现其中 0.4%MoS$_{2}$-GO/WPUA 涂层的表面平整致密, 接触角为 99.67$^{\circ}$; 在 3.5% NaCl 溶液中浸泡 28 d Bode 图中 $\vert Z\vert _{0.01{\rm Hz}}$ 为 3.19$\times $10$^{7} \Omega\cdot $cm², Nyquist 图为 1 个半圈, 相角图表现为 90$^{\circ}$ 的单峰, 表明具有更好的防腐蚀性能.     

循环射流混合槽内油-水两相流复杂动力学特性分析

采用流体力学计算软件ANSYS FLUENT V16.1中的Eulerian-Eulerian多相流模型和剪切应力输运（SST）k-ω湍流模型，对循环射流混合槽内油-水两相流的动力学特性进行研究，分析不同雷诺数Re和不同相含率对多孔射流中心线速度自相似性、涡量和剪切速率的影响。研究发现：在不同Re及分散相相含率条件下，射流方向上连续相水的流动状态满足自相似性；Re=6 346、9 519和12 692时无量纲高度z/H=0.9处的涡量与Re=3 173时相比分别增大118.3%、253.7%和373.4%；轴向、径向和周向位置处涡量等值线图揭示高涡量区域主要集中在射流孔附近，射流中心线两侧存在反向对涡，射流中心线附近涡的相对强度与中心主体混合区域相比高2个数量级；与涡量及Q准则相比，第三代涡判别法Liutex对流场中大尺度涡结构的识别基本相同，对主体混合区域细小涡结构的识别相对更加准确；剪切速率随周向位置的增大呈现先增后减的趋势，在θ=12°处随着Re从3 173增加到12 692，平均剪切速率增大86.2%~257.7%。     

Lightnin静态混合器内瞬态流场POD分析及混合特性研究

为了研究Lightnin静态混合器（LSM）内的瞬态流场结构和混合特性，以水为工质采用ANSYS FLUENT V16.1中的大涡模拟（large eddy simulation，LES）湍流模型对不同长径比和雷诺数下LSM内的湍流流动进行数值模拟，并用本征正交分解（POD）方法对流场结构进行模态分解以提取流场相干结构。结果表明：当采样数量达到2 000时，低阶模态蕴含流场主要的旋涡结构信息；混合段内横截面平均涡量分布呈正弦状周期性变化，在z/l=5.0~6.0范围内，Re=3 981、5 971和7 962时的平均涡量相较于Re=1 990时增长148.5%~322.7%，拉伸率提高11.5%~18.9%；小长径比的LSM中流体被拉伸的概率更大。     

平板式内构件管式换热器传热性能研究

实验研究了安装有平板及45°平板扰流内构件的管式换热器传热与压降特性,结果表明：管内插入平板和45°平板扰流内构件时,换热器传热性能和压降特性随扰流内构件组数N和Re的增加而增大;当Re ≥ 2.6×10⁴时,换热器压降增加比较显著;当N>6时,平板内构件换热器传热性能强化稍优于45°平板内构件换热器,但是压降明显较大;两种内构件组数不宜超过9组。在实验研究范围内,平板和45°平板内构件换热器传热性能分别是空管换热器的1.66~3.47倍和1.67~3.38倍,压降分别是空管换热器的6.25~29.57倍和3.61~10.77倍。Re在1.9×10⁴左右时,平板和45°平板综合性能评价因子达到最大,分别约为1.24和1.57,说明45°平板内构件换热器综合性能优于平板内构件换热器。随后进一步采用数值模拟方法对换热器的传热和流动特性进行了模拟,结果表明：有角度平板可以使流场旋转产生二次流动,强化了传热,降低了换热器压降的增幅。因此,将有角度的内构件插入管式换热器中可有效增加换热器的综合传热性能。     

对流槽宽高比对长方体湍流热对流系统传热的影响

采用长方体对流槽,研究以水为流体介质的Rayleigh-Benard（RB）湍流热对流系统中,对流槽宽高比对系统湍流传热Nu-Ra关系的影响.改变对流槽的高度,使对流槽的宽高比分别为（Γ,Γ）=（1.00,0.30）,（2.00,0.60）,（4.00,1.20）,（7.25,2.18）,（14.29,4.29）和（20.84,6.25）,实验参数Rayleigh数（Ra）和Prandtl数（Pr）的变化区间分别为5.0×10⁵≤RA≤5.6×10¹⁰和5.3≤Pr≤7.0.结果表明,与圆柱形对流槽中的情形不同,长方体对流槽中系统湍流传热的Nu-Ra关系几乎独立于系统对流槽的宽高比.     

含碲非调质钢 38MnVS6 水口结瘤成因分析

为调控钢中硫化物的夹杂形态和分布, 提升产品品质, 以碲处理工艺代替钙处理工艺开发了高品质含碲非调质钢 38MnVS6, 但在生产过程中会产生水口结瘤现象. 为分析水口结瘤的形成原因, 采用 X 射线衍射分析(X-ray diffraction, XRD)、扫描电镜分析及热力学计算等, 解析了水口结瘤物的主要物相及与钢中夹杂物的关系, 探究了其与碲处理工艺的关联性. 研究结果表明, 水口结瘤物主要由 CaO$\cdot $2Al$_{2}$O$_{3}$ 和 MgO$\cdot $Al$_{2}$O$_{3}$ 组成, 不含碲相关的物相, 其与钢中的氧化物夹杂成分相近, 因此水口结瘤并不是由碲直接造成的. 在碲处理工艺替换钙处理工艺后, 钢中钙质量百分比浓度不足以将 Al$_{2}$O$_{3}$ 改质为低熔点 12CaO$\cdot $7Al$_{2}$O$_{3}$, 当前钢中 Al 和 Ca 主要生成的钙铝酸盐夹杂为 CaO$\cdot $2Al$_{2}$O$_{3}$. 此外, 钢中残余的少量 Mg 使 Al$_{2}$O$_{3}$ 转变为 MgO$\cdot $Al$_{2}$O$_{3}$, 对应的 Mg 质量百分比浓度为 0.25$\times $10$^{-6}\sim $1.46$\times $10$^{-6}$. 当钢液流经水口时, CaO$\cdot $2Al$_{2}$O$_{3}$ 与 MgO$\cdot $Al$_{2}$O$_{3}$ 在水口内壁相互烧结黏附, 不断聚集增厚, 最终形成水口结瘤.     

关于$1,1/3^{s_{1}},...,1/(2n-1)^{s_{n-1}}$的第二类初等对称函数的整性

设$d,\ m$ 与 $n$ 均为正整数. 在1915年, Theisinger证明当$n\ge 2$时,$n$次调和和 $\sum_{k=1}^n\frac{1}{k}$不是一个整数. 在1946年,Erd\H{o}s和Niven 证明仅有有限多个$n$, 使得关于$1/m, 1/(m+d),..., 1/(m+nd)$ 的一个或多个初等对称函数是整数.在2015年, Wang 和 Hong 证明当 $n\ge 2$ 时,$1,1/3,...,1/(2n-1)$ 的所有初等对称函数均非整数.在本文中, 我们证明如下结果成立: 如果$n\ge 2$为正整数, 那么对任意$n$个正整数 $s_0,..., s_{n-1}$, 关于$1,1/3^{s_{1}},...,1/(2n-1)^{s_{n-1}}$的第二类初等对称函数 $$\sum\limits_{0\le i相似文献   

一类非齐次Schrödinger-Poisson系统解的存在性

研究一类非齐次Schr?dinger-Poisson系统$\left\{ {_{ - \Delta \phi = {u^2},\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;x \in {R^3}}^{ - \Delta u + V(x)u + \phi (x)u = f(u) + g(x),\;\;\;x \in {R^3}}} \right.$。当V（x）为径向对称位势,非齐次扰动项g（x）的范数足够小时,通过Ekeland’s变分原理和结合单调性方法的山路定理,证明了该系统解的存在性;当V（x）为强制位势且f（u）为奇函数时,通过（sP.S）_c条件和对称山路引理构造一趋于无穷大的临界值序列,获得系统无穷多解的存在性。     

宽度交替变化扭旋元件对管内传热特性的影响

在雷诺数Re=200~1 800范围内,利用数值模拟方法对内置宽度交替变化扭旋元件的管内传热性能进行研究,研究结果表明：宽度交替变化扭旋元件能够显著提升努赛尔数Nu和传热性能评价因子η,与光管相比分别提高2.2~5.2倍和1.4~2.2倍;换热管局部努赛尔数沿流向呈速降—缓降—速升—缓降—恒定的变化规律,上升速率随扭旋元件径比的增大而提高,而降低速率与径比关系较小;局部努赛尔数在扭旋元件后方半个元件长度处达到最大值,该长度可作为间隔扭旋元件优选间距;流体在窄扭旋元件以及前后反向扭旋元件作用下,形成主、次螺旋流共存流动,局部流线向中心倾斜,径向流动加强,传热得到强化。     

二成分混合流体Rayleigh-Benard对流

Rayleigh-Benard(RB)对流是研究非平衡对流的稳定性、非线性动力学特性及湍流形成机理的典型模型之一。在介绍RB对流研究方法的基础上，论述了其最新研究进展：混合流体RB对流运动的稳定性及其非线性动力特性；RB对流与水平流动相耦合时的非线性动力特性。最后提出了有待进一步研究和探讨的问题。     

矩形腔体中Rayleigh-Benard对流结构的分析

通过对二维流体力学基本方程的数值摸拟，讨论了在二维矩形腔体中，不同条件与Rayleigh-Benard（RB）对流耦合作用的结构图案和特性。在分析了RB对流结构的基础上，分别对比分析了水平流及脉冲流与RB对流耦合作用的结构，并得出了其规律。RB对流系统为定常流动，对流轨道具有空间周期性。当RB对流与水平来流耦合作用时，系统为非定常流动，对流结构既表现空间周期性，同时也表现时间周期性。当外加来流的大小呈周期性变化时，此时系统流动的形式与外加来流的周期密切相关。     

流体非线性碰撞研究初步--流体对喷

为了分析通风空调领域大量存在的流体对抗或对喷等复杂非线性行为,了解流体复杂对流运动的机理,本文运用计算流体动力学方法模拟了室内等温层流气流、室内等温湍流气流及水箱内等温湍流水流等3种典型流体对喷实例。模拟结果发现,对于层流流体非线性碰撞,流体粘性在低雷诺数时起主要作用;对于湍流气流非线性碰撞,流体流速在全雷诺数范围及不同流动结构时都起主导作用;对于湍流水流非线性碰撞,流体粘性在低雷诺数时能起作用,而随着雷诺数增高及流动结构复杂化,流场则由流速及粘性等多种因素主导、由此研究可以看出,从控制参数、流体物性参数等影响流体对流运动的本质因素来探讨流体的非线性碰撞规律,可以为流场合理布局提供理论参数．     

关于单位分数的 Lazar 问题

设 $n$ 为任意正整数. 著名 Erd\H{o}s-Straus 猜想是指当 $n\ge 2$ 时, Diophantine 方程 $\frac{4}{n}=\frac{1}{x}+\frac{1}{y}+\frac{1}{z}$ 总有正整数解 $(x,y,z)$. 虽然有许多作者研究这个猜想, 但是至今它还未被解决. 设 $p\ge 5$ 为任意素数. 最近, Lazar 证明 Diophantine 方程 $ \frac{4}{p}=\frac{1}{x}+\frac{1}{y}+\frac{1}{z}$ 在区域 $xy<\sqrt{z/2}$ 内没有 $x$ 与 $y$ 互素的正整数解 $(x,y,z)$. 同时, Lazar 提出问题: 在上述方程中以 $5/p$ 替换 $4/p$, 是否有类似结果? 这也是 Sierpinski 提出的一个猜想. 在本文中, 我们证明 Diophantine 方程 $\frac{a}{p}=\frac{1}{x}+\frac{1}{y}+\frac{1}{z}$ 没有满足\ $x, y$ 互素且\ $xy<\sqrt{z/2}$ 的正整数解 $(x,y,z)$, 其中 $a$ 为满足\ $a<7\le p$ 的正整数. 这回答了上述 Lazar 问题, 并推广了 Lazar 的结果. 我们的证明方法和工具主要是利用有理数\ $\frac{a}{p}$ 的连分数表示.