采用Cattaneo-Christov热通量模型的Casson流体流动研究

研究Casson流体作磁流体(MHD)流动与传热现象.能量方程采用Cattaneo-Christov热通量模型,并用恰当的相似变换将偏微分控制方程转化为高阶非线性耦合常微分方程.通过打靶法,结合龙格库塔法和牛顿迭代法进行数值求解,图示并详细分析了不同物理参数对速度、温度分布、表面摩擦系数及局部Nusselt数的影响.结果显示,随着Casson参数或Hartmann数的增大,速度下降而温度增加;与采用经典的傅立叶热传导定律相比,采用Cattaneo-Christov热通量模型得到的温度和边界层厚度均比较低.     

壁面附着流的非定常气动热力学模型理论研究

我们旨在从理论上研究壁面附着流非定常气动热力学的原理.首先,选择了两个具有NS方程解析解的简化模型：时变的壁面速度与壁面温度边界条件诱发的可压缩非定常无穷大平板附着流动,并求解了（第二问题）其非定常温度场与壁面非定常热通量（即热流）.其次,根据这两个简化模型的解析解,分析了上述模型流动中非定常温度场与非定常速度场相互作用的特征及其对壁面非稳态传热的影响.由能量方程决定的非定常热通量受到由动量方程决定的非定常压缩功和黏性耗散项的直接影响.我们从简化模型中揭示了非定常速度场对非定常热通量影响强弱的的主要参数以及影响规律.最后,基于可压缩边界层方程组,推导了非定常气动热力学的相似性准则.除了表征速度场非定常性的判据Strouhal数Stu,首次提出了表征温度场非定常性的判据Stt.研究结果表明,与非定常空气动力学中仅凭Stu大小即可判断要否考虑非定常因素的传统做法不同,在非定常气动热力学中是否需要考虑非定常因素,应该从无量纲的能量方程出发,根据温度场非定常判据Stt与其他各项系数的相对大小加以综合评估而定.     

基于流变协同机制的粘弹性非牛顿流体耦合流动与传热问题研究

非牛顿流体在化工、食品、石油及生物工程等许多领域有广泛的应用。人们在非牛顿流体流变特性研究方面已经取得了很大进展,但是对于剪切流动过程中质能传递特性的研究仍然欠缺,多年来一直照搬牛顿流体情况来处理。事实上,在剪切流动中其热、质通过流体微团来输运,非牛顿流体的流变机制不同必然要影响到其质能传递特性的不同。作者基于多年非牛顿流体复杂流动与传热、传质的研究工作,提出非牛顿流体热质输运遵循流变协同机制,应该基于非牛顿流体的流变特性来构建其热质输运本构关系模型。该文以上随体导数Maxwell粘弹性非牛顿流体模型为例,考虑到Maxwell流体的松弛特性,引入Cattaneo-Christov热通量公式,原创性提出基于粘弹性流体流变协同的传热本构方程模型,并推导出基于该本构模型下的粘弹性流体边界层耦合流动与传热问题非线性偏微分方程组。引入适当相似变换及利用同伦分析方法求解得到了问题的近似解,并讨论了相关参数对于流动与传热的影响。     

热塑性装饰材料点燃性能研究

利用锥形量热仪研究了典型热塑性装饰材料的点燃性能,并利用数值模拟结合线性回归方法导出了适合热中型材料的点燃模型。利用此模型对实验得到的点燃时间进行了分析,得到了材料的临界热辐射通量、点燃温度与热物性参数,结果表明研究得到的材料热辐射通量与点燃温度、点燃时间和文献中给出的值比较吻合,导出的模型具有较好的适用性。     

Reynolds应力模型在热分层流场中的应用及优化

对Reynolds应力模型(RSM)在数值模拟热分层流场方面进行了优化,即在Reynolds应力方程和湍动能耗散方程的基础上加入标量通量方程和温度扰动方程,使原来的7方程成为了11方程。优化后的模型可以通过精确计算湍流通量输运方程来求解加热湍流中重要的热浮力项。采用7方程RSM、11方程RSM,并用k-ε湍流模型作为参考,对平板间非稳定热分层流动和模拟池式快堆堆心上方的腔室内受迫对流和热分层之间的混合流动进行数值模拟和比较分析,并将计算结果与现有实验数据相比较。结论是:优化后的11方程RSM比其他的湍流模型更适合于计算各向异性的热分层流动。     

NCAR湖泊子模型对东太湖湖-气交换的离线模拟及评估

准确的湖泊-大气陆面过程方案对天气气候的模拟和预测十分重要。通过对内陆浅水湖泊太湖东部不同季节水生植物特征进行分析,调整了NCAR湖泊子模型的消光系数、湍流扩散系数及粗糙度等参数;利用东太湖避风港1号观测平台2012年1、4、7、10月的观测数据驱动离线湖模式,评估了NCAR湖泊子模型对不同季节感热通量、潜热通量、湖表温度及摩擦速度的模拟性能。结果表明,参数调整后的NCAR湖泊子模型的模拟结果在4个季节都有了不同程度的改善,其中感热通量模拟值与观测值的均方根误差由12.37 W·m-2减小到9.7 W·m-2,潜热通量由50.19 W·m-2减小到31.48 W·m-2,湖表温度由1.03℃减小到0.62℃,摩擦速度由0.23 m·s-1到0.10 m·s-1。     

在多孔平板磁流体动力边界层吹吸与热辐射对流动影响

存在磁场时对多孔通道平板边界层流动和传热进行分析,无滑动边界条件相对应的、不同的速度滑移和温度滑移;并在温度方程中考虑热辐射条件。相应的动量和能量方程为非线性常微分方程;并将其进行相似变换。通过龙格库塔的计算方法获得这些方程的数值解。结果发现,增加滑移参数以及增加磁参数时,水平速度减少;增加的磁参数而温度增加;增加热滑参数而温度降低;热辐射增强了有效热扩散率并使温度上升。     

平板通道中热局部非平衡对努塞尔数的影响

利用傅里叶级数,研究了多孔介质平板通道中Darcy流体热局部非平衡对努塞尔数的影响.考虑流体流动方向的热传导以及固相和流相相互作用的粘性耗散,根据热局部非平衡的两能量方程模型,得到了常壁温时多孔介质固相骨架温度和孔隙流体温度的解析解.针对不同的物性参数,给出了局部努塞尔数的分布特征.通过参数研究,揭示了热局部非平衡时强迫对流努塞尔数的响应特征.     

一种热网络方程计算方法的改进

通过热网络离散节点群控制方程的敏感性分析,提出了一种新的热网络方程求解改进方法———分离变量参数系数方法,用于分析航天器表面材料性质对温度场分布的影响.同时,采用蒙特卡罗射线踪迹法求解太阳直接入射面积和太阳辐射传递系数,考虑了航天器几何遮挡关系对热网络系数的影响.计算结果表明:航天器虚拟模型主体部位的最大温度值要高于太阳电池板的温度.在开始阶段,冷却速度迅速增加至最大值,然后再慢慢降低并有17K温度的偏差.为了分析材料表面的太阳吸收系数对温度分布的影响,以a=0.35为算例原值,对于与原值的吻合程度,太阳吸收系数增大的影响优于其减小的影响.     

1215钢动态应力-应变行为

系统研究了1215钢的热变形行为,分析了应变、应变速度和温度对钢的流变应力的影响规律.通过热模拟实验,研究分析了不同的应变速率和应变温度条件下1215钢的应力-应变曲线.以实验数据为基础,以Johnson-Cook本构模型为依据,讨论了拟合分析Johnson-Cook方程参数的方法.通过实验数据的拟合分析,得到了表达1215钢流变应力随应变、应变速度和形变温度的数学方程,为研究1215钢的动态应力-应变行为提供了基础.研究工作表明,理论计算与实验数据得到了较好的吻合.     

地源热泵中U型埋管传热过程的数值模拟

以钻孔壁为界将U型埋管的换热区域划分为钻孔内外两部分,并分别采用稳态与非稳态传热来分析求解,两区域模型间通过钻孔壁温耦合连接,以构成完整的埋管传热模型.对于钻孔以外部分,采用变热流圆柱源模型来求解钻孔瞬时壁温.钻孔以内部分,在考虑埋管流体温度的沿程变化及U型管2支间热干扰的基础上,基于能量平衡建立了钻孔内U型埋管的稳态传热模型.用所建U型埋管传热模型对地源热泵系统的运行特性进行了动态模拟,得出了埋管出口流体温度、钻孔瞬时壁温、单位埋管吸热量及热泵COP随运行时间的变化规律.所建埋管模型可为地源热泵系统的动态模拟、优化设计及其改进提供参考.     

不同热流下平行平板微槽内流体滑移流动与层流换热

对两侧不同定热流热边界条件下,流动与热充分发展的平行平板微槽在滑移流区内的层流换热进行了理论分析,研究了微槽内温度场的分布和换热特性,并讨论了Kn、热流比、动量协调系数、热协调系数等的影响.     

绕流椭圆柱管束的流动与传热特性

椭圆柱管束换热器在工业领域中得到广泛的应用。本文采用一种简单合理的自由表面模型深入研究了流体绕流椭圆柱管束的流动与传热问题。通过适体坐标转换方法在非规则流道截面上求解出动量与热量传递控制方程,获得了等壁温条件下的流道内的阻力系数和努塞尔数等准则数,并且和文献值进行了对比。文献值和模拟值之间的最大绝对误差小于3.5%,表明所建立的数学模型是正确的。利用所建立的数学模型分析了流动方向、椭圆柱横截面形状、管束结构参数以及壁面边界条件 对绕流椭圆柱管束的流动与传热特性的影响。获得了等壁温和等热流密度条件下的阻力系数和平均努塞尔数。这些准则数为椭圆柱管束的设计和优化提供理论指导。     

分离式热管小倾角蒸发段传热特性的试验研究

由于分离式热管蒸发段水平及小倾角布置的重要工程应用意义,在试验台上进行了1∶1的模型试验,对分离式热管蒸发段的传热特性进行了试验研究.试验确定了工作温度、热流密度、充液率、倾角等因素对传热特性的影响;用核态沸腾理论对蒸发管的换热特性进行了无因次分析,回归试验数据得到了无因次对流换热准则关系式,它与试验结果有很好的一致性,相对误差在15%以内.研究结果表明,随着热流密度的增加,换热系数增加;工作温度增大,换热系数也增大;倾角增加时,换热系数增大;合理充液率为65%~90%,在此范围内,充液率对换热系数的影响很小.此研究结果为大型小倾角布置的分离式热管换热器的工程设计提供了依据.     

介电流体的EHD强化凝结换热实验研究

在自行设计组装的基于朗肯循环的低温余热发电模型的基础上,以CFC11为工质,进行了介电流体的EHD强化凝结换热的实验研究,得出了不同温度下凝结换热系数,热流密度与外施电压之间的关系,并对外施电场的功耗进行了分析,为EHD冷凝强化换热理论研究的扩展提供了一定的依据.     

The entransy dissipation minimization principle under given heat duty and heat transfer area conditions

Under given heat duty and heat transfer area conditions, the equipartition of the entransy dissipation (EoED) principle, the equipartition of the temperature difference (EoTD) principle, and the equipartition of the heat flux (EoHF) principle are applied to the optimization design of a heat exchanger with a variable heat transfer coefficient. The results show that the difference between the results obtained using the EoED and EoTD principles is very small, far smaller than that between the results obtained using the EoED and EoHF principles. The correct entransy dissipation minimization principle is chosen to optimize the parameters in the hot and cold fluids in a two-fluid heat exchanger, under given heat duty and heat transfer area conditions. The results indicate that the proper choice of the two alternative fluids has an important role in the successful application of the entransy dissipation minimization principle. The fluid that could improve the total heat transfer coefficient should be chosen, or the fluid that makes the temperature profiles of the hot and cold fluids parallel and decreases the temperature difference between the hot and cold fluids after optimization simultaneously, could be the proper one.     

超临界压力水在水平同心套管间自然对流换热研究

通过数值计算深入分析了超临界压力条件下水的强烈的物性变化及对流换热的边界条件对水平同心套管间自然对流换热的影响规律,并为高新技术的发展提供一定的理论基础。采用求解原始变量的有限差分法,并利用大型通用计算程序ＰＨＯＥＮＩＣＳ,对控制方程组进行了数值求解。分析了在内、外管表面均为等壁温边界条件或内管为常热流、外管为等壁温边界条件下,同心套管间的流场和温度场;研究了强烈的变物性、内外表面温差及内管壁面上的热流密度等对内、外管壁上自然对流换热系数的影响规律。结果发现：在内管表面热流密度相同的条件下,不同的外管表面温度所对应的内、外管表面温差及对流换热系数有比较大的差异;在某些条件下,随着热流密度的升高,尽管套管内自然对流流速增大,但是自然对流换热能力却下降。     

水力压裂裂缝壁面上热流密度函数的推导

许多压裂的油气井都具有较高的地层温度 .为了获得最佳的压裂效果 ,在压裂设计计算时应该考虑裂缝中温度变化对压裂液流变特性和滤失速度等的影响 .因此 ,需要建立水力压裂裂缝中的温度场模型 ,用于计算施工过程中裂缝中压裂液的温度随时间和位置的变化 .根据热能平衡方程 ,建立起了滤失和非滤失裂缝缝面附近地层中温度的偏微分方程 ,然后借助于拉普拉斯变换和逆变换 ,获得了这两种情况下 ,裂缝壁面上的热流密度函数 .通过算例分析发现 ,裂缝壁面上的热流密度随注液时间的增加而减小 ;对于滤失性裂缝壁面 ,压裂液的综合滤失系数和地层的孔隙度越高 ,热流密度越低 .     

基于反算热流的结晶器内流动--传热--凝固耦合模拟

基于Navier-Stokes动量方程和湍流低雷诺数k-ε方程,综合考虑能量守恒和钢液凝固与糊状区对流动过程的影响,建立了描述结晶器内钢液流动、传热及凝固过程的三维耦合数学模型。以实测温度和结晶器反问题模型计算出的热流为边界条件,模拟计算了结晶器内钢水的流动、传热和凝固行为。钢液流动决定结晶器内的温度和热流分布,铸坯凝固受钢液流动和结晶器热流双重因素的影响。建立的模型以及由此得到的铸坯凝固非均匀特征可为进一步考察浇铸过程中纵裂和其他表面缺陷提供借鉴和参考。     

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。