用lattice Boltzmann方法模拟矩形竖腔内混合对流

用lattice Boltzmann方法(LBM)模拟了纵横比(高度与宽度之比)大于1的矩形竖腔内同时存在自然对流和强制对流的混合流动时流场与温度场分布.比较了不同雷诺数(Re)、瑞利数(Ra)下矩形腔的流场分布在不同纵横比时的特点,研究了这些参数值对混合对流换热的影响,提出混合对流存在时Re和Ra对流动和换热的影响可由Richardson数(Ri)综合反映,并得到在不同纵横比时平均Nusselt数(Nu)随Ra和Re的变化关系式.与常用的LBGK模型不同,用了LB力矩模型.     

自由圆射流对声激励的非线性响应分析

声激励是控制流动和燃烧的有效手段.为研究声激励对圆射流流场的控制作用,采用大涡模拟方法计算了不同频率的声激励下的圆射流流场(Re=2020),分析了流场对声激励的非线性响应过程.对涡量和Q函数的分析表明流场拟序结构的变化与激励频率有关.通过传递函数分析及脉动速度的分解,揭示出扰动波在流场中有三种传播模式,即对流传播模式、声波—对流混合传播模式和声波传播模式,与实验结果符合较好.通过分析速度功率谱(PSD)在空间的分布,反映出激励引起湍流能量在频率空间的重新分配.研究表明,射流响应对激励频率的选择特性不仅表现在流场结构的变化,还与扰动波的传播模式密切相关.当激励频率在射流优势频率附近时,扰动波以对流模式传播,流场结构及能量在频域的分布都发生明显变化.     

建筑内自然对流对射流的影响研究

当射流出口速度较小或室内自然对流强度较大时,室内自然对流对射流特性产生重要影响。采用数值模拟方法,研究了建筑内左右壁面为定壁温边界条件下的自然对流与射流共存时的速度场和温度场。根据数值计算结果,分析了自然对流对射流特性的影响及其影响因素。这为工程设计中预测自然对流对室内气流射流的作用及合理设计室内气流组织提供了依据。     

大气切变对流的数值研究

利用二维数值计算,对大气的切变对流进行了研究.流场包括一个平流层顶的射流,其下有一个热不稳定层.用不同的参数代表不同的切变和温度不稳定性,对流场进行模拟,并和在没有风切变下的情况比较.发现对流顶部的射流会形成一种障碍,把穿透阻挡,恰如"切变障碍"理论所描述的一样;此外,当切变加强,所产生的重力波的振幅也随之增大.     

基于格子Boltzmann方法的热毛细对流数值模拟研究

为研究Prandtl(Pr)数和纵横比(Ar)对侧壁差异加热的矩形液池内热毛细对流的影响,利用基于双密度分布函数的格子玻尔兹曼(Boltzmann)方法进行二维数值模拟。引入速度偏离率和偏差温度,分别衡量速度的波动和热毛细对流对温度场的影响。结果表明:热毛细对流随着Pr(0.1~100)的减小或Ar(0.2~2)的增大而增强;当热毛细对流较强时速度的波动也增强了,同时能量在冷壁端部积聚;当其它参数恒定而Pr在10~100范围内变化时,温度场几乎不变;当Ar≥1时,Ar对自由表面的速度和温度分布影响很小。     

缝隙冲击射流淬火对流换热的影响因素

采用有限元方法对非淹没缝隙射流冲击区单相对流换热进行数值模拟.结合辊式淬火冷却的特点,分析了缝隙射流冲击区对流换热的影响因素如射流速度、射流出口距冲击板的距离(高度)、喷嘴宽度、射流出口速度方向与冲击板之间的夹角、水温等.结果表明:在淬火100 mm厚钢板时,经济实用的工艺参数为射流速度40～45 m.s-1,射流出口距冲击板的距离(高度)20 mm,喷嘴宽度2 mm,射流出口速度方向与冲击板之间夹角45°,水温10～35℃.     

竖直网状加热元件自然对流的解析模型

本文根据宏观流场与微观(局部)流场的交互作用的概念,为竖直放置的网状加热元件的自然对流传热提出一种新的解析模型.据此可确定金属网的局部放热系数及表面温度.计算结果与实验数据显示出令人满意的一致性.文章还提出了用以计算网状加热元件的局部对流放热系数的无因次准则方程式,可用于工程实践.     

用格子Boltzmann研究多孔介质内的自然对流换热问题

用格子Boltzmann方法研究了方腔内二维多孔介质由于不均匀温度分布产生的浮力效应而引起的自然对流传热问题.通过数值模拟得到了多孔介质内流体的流场和温度场.详细讨论了孔隙度对自然对流传热的影响,并对孔隙度变化情况下的自然对流传热问题也进行了探讨.研究结果表明,在孔隙度恒定,且Da数比较小(≤10-6)的情况下,当Ra数较低时,孔隙度对自然对流传热的影响很小,当Ra数足够大时需要考虑孔隙度变化的影响;而在Da数较大(≥10-2)情况下,孔隙度对自然对流传热的影响非常明显.在孔隙度线性变化情况下,中间孔隙度c对自然对流传热有一定的影响,且对流与传热随着c的增大而变得剧烈.     

飞机后设备舱自然对流换热的实验与模拟

飞机后设备舱内换热是涉及自然对流与辐射换热耦合的复杂问题,选择合适的计算模型,利用CFD数值模拟进行计算分析是解决此类问题的简便方法.针对这一问题,搭建了一个可控热边界的实验台,通过实验测量了壁面温度等作为CFD数值模拟的边界条件,采用RNG k-ε湍流模型和DO辐射模型进行计算预测.通过对比实验结果与CFD模拟计算结果,发现RNG k-ε湍流模型能较好地预测封闭空间自然对流温度场和流场,自然对流换热和辐射换热分别占总换热量的89%,和11%,.     

倾斜螺纹孔射流传热特性的数值研究

为了提高传统圆孔冲击射流的冷却效果,提出采用螺纹孔来代替圆孔,并采用数值模拟方法研究了倾斜状态下螺纹孔旋转冲击射流的复杂流动状态和传热性能,研究的影响因素包括射流倾斜角(α=45°～90°)、冲击距离(H/d=2,4,6)、雷诺数(Re=6 000～24 000)。研究结果表明:倾斜角和冲击距离对射流空间内旋涡的大小、形状和位置有较大的影响;在倾斜状态下,旋转射流冲击冷却效果要优于圆孔射流,但当α=45°时,旋转射流冲击靶面的对流传热效果会明显恶化;当Re=6 000,α=60°,H/d分别为2、4和6时,旋转射流靶面中心努塞尔数Nu比圆孔射流靶面中心Nu分别高139.9%、107.2%、27.3%;当冲击距离相同时,旋转射流靶面平均努塞尔数高于圆孔射流。与圆孔射流相比,Re≤18 000下提高射流Re,旋转射流能显著增强靶面传热能力。     

入口射流角度对通风方腔内流动的影响

用数值方法探讨了入口射流角度对顶部对称送风方式的方腔内流动的影响.计算的物理模型为固定宽高比为1,进风角度θ分别取20°,45°,70°,90°,110°,135°及160°.计算结果表明,不同的射流角度对通风方腔内流动的影响是明显的.随进风角度的变化,在不同的控制参数下,方程的解呈现多样的、不稳定的非线性特征,可归结为定常解(稳态解)、周期性振荡解、非周期性振荡解.在选定的计算参数下,当进风角度的变化范围在20°≤θ≤160°时,考虑纯强制对流,θ为135°的流场最先失稳振荡;考虑自然对流的作用,θ为70°的流场最易失稳振荡.     

开口空腔内湍流自然对流与表面辐射的耦合传热

对具有单个加热壁的二维方形开口空腔内的湍流自然对流与表面辐射的耦合传热进行了数值研究。结果表明,辐射强烈地影响腔内的流场及温度场,它既可增强也可减弱空腔的湍流自然对流换热;不同Rayleigh数和温差比下,空腔的总换热率及辐射所占份额均呈现不同的变化规律。     

平行平板通道中壁面凸出块热源的强迫对流换热

用数值计算法对平行平板通道内二维凸出块热源的强迫对流换热进行了研究。分析了通道中的流场和温度场变化,详细计算了热源各个表面的换热以及热源高度变化的影响,整理出各个表面平均换热以及整个热源总的平均换热关系式。雷诺数变化范围:100≤Re≤1500,热源相对高度变化:1/8≤h/H≤1/2。热源块总的平均换热关系式: Nu_m=1.0377Re~(0.37)·(h/H)~(-0.17)     

强制对流作用下溶质枝晶生长的CA-LBM模拟

应用一个二维的元胞自动机(cellular automata, CA)-格子玻尔兹曼方法 (lattice Boltzmann method, LBM) 耦合模型,对合金等温凝固过程中溶质枝晶在强制对流作用下的生长规律进行了模拟研究.该耦合模型采用CA方法模拟枝晶生长,同时采用基于分子动理论的LBM模拟枝晶生长过程中的流场和浓度场.应用该模型模拟分析了过冷度和成分等因素对Al-Cu合金在纯扩散和对流作用下单枝晶的生长规律的影响.结果表明,在纯扩散条件下,模拟的枝晶稳态生长尖端速度、半径、Peclet数和过冷度的关系与Lipton-Glicksman-Kurz (LGK)模型的预测结果吻合良好.对流作用下枝晶的生长形貌呈现出了不对称性,枝晶的生长在上游方向得到促进,而在下游方向受到抑制.合金成分和初始过冷度等因素会对枝晶形貌和生长动力学产生影响.     

搅拌槽内轴向对流循环的试验

以搅拌槽内单相湍流流场为研究对象,采用相位多普勒粒子分析仪(PDPA)对MK和ZHX搅拌器进行流场测试,得到不同几何参数的搅拌器在不同工况下的时均速度场分布.在此基础上计算挡板前轴向速度梯度的分布,由速度梯度的衰减确定搅拌槽内轴向对流循环的有效作用范围,并考察桨型、叶轮离底间隙和叶轮转速对轴向对流循环有效作用范围的影响.试验结果表明,在液面高度等于槽径时,轴流桨搅拌槽内轴向对流循环的有效作用范围与桨型、叶轮离底间隙和叶轮转速无关,高度为槽径的2/3.     

高瑞利数下封闭腔内自然对流的数值模拟

为了推广应用高瑞利数下的自然对流换热技术,有必要对自然对流流动与换热特性进行深入研究。采用不引入人工扰动的直接数值模拟方法,对发生在高宽比为4的封闭腔内的自然对流流动与换热进行了研究,分析了平均温度、平均主流速度、涡量和局部努塞尔数的分布特性。研究结果表明:从静止等温流体初始条件出发,不引入任何人工扰动自然对流可以顺利发展到湍流,节约了计算资源;即便瑞利数等于1010,自然对流的平均温度、平均主流速度、涡量和局部努赛尔数分布都具有边界层型流动和换热的特征;在普朗特数为0.71~500的范围,当封闭腔内自然对流换热出现湍流换热特征时,局部瑞利数处于107~108量级。     

声激励对圆射流流场结构控制的大涡模拟

为研究声激励对圆射流流场结构的控制作用,采用大涡模拟方法计算相锁定全局声激励下的圆射流(Re=2 020)流场.计算得出的未加激励时射流的优势频率与实验符合得很好.从多角度描述声激励对射流速度场和涡量场的影响,分析流场对声激励响应的频率选择特性.通过速度场的平均值、均方根值,概率密度函数,偏度,峰度,以及动量厚度的分布,显示声激励引起速度场和混合特性的改变.涡量和Q准则揭示流场拟序结构的演化,发现激励控制流场的主导涡结构是希尔球涡.研究表明,声激励是流场控制非常准确和有效的手段,当激励频率在优势频率附近时影响尤其明显,很小的能量输入便可以引起流场结构的显著改变.     

矩形通道内置加热板混合对流的实验研究

通过实验研究了中心截面带有加热平板的水平和倾斜矩形通道入口段的混合对流换热,该矩形通道和加热平板均采用高热导率材料制作,矩形通道外壁面绝热.实验过程中Re从334变化到1 911,管道倾角从-60°增加到60°.实验数据处理时采用壁面均匀恒定热流边界条件,处理结果与相关文献吻合较好.通过实验得到了管内平均Nusselt数和压力损失的分布.实验结果表明:换热系数是充分发展层流混合对流的2到3倍;当Re增加时,管内换热系数增加,压损随之增大;当Re较小时,换热系数和压损均随倾角的增大显著增大;当Re约增加到1 800时,角度变化对换热系数和压损的影响很小.     

PF-LBM模型模拟强迫对流对二元合金枝晶生长的影响

建立一个耦合格子玻尔兹曼方法(LBM)与相场法的二维模型,以Al-Cu二元合金为例对强制对流作用下合金凝固过程中的枝晶生长行为进行模拟.研究流动速度和各向异性系数对金属凝固过程中枝晶生长的影响.结果表明:对流对枝晶形貌影响很大,上游枝晶的枝晶臂最长,下游枝晶臂最短,整个枝晶呈现非对称形貌;对流速度越大,上游枝晶生长越快,流速增大会产生涡流,使下游枝晶也生长加速;各向异性系数越大,主枝枝晶臂越瘦长,流场存在会增强各向异性强度对凝固过程枝晶生长的影响.     

典型竖井内火羽流与自然对流的比较

为深入了解火灾过程的特点,采用大涡模拟方法对火羽流与自然对流引起的典型竖井中的流动进行了数值模拟研究。网格滤波截断的亚格子湍能远小于流场总能量,验证了大涡模拟方法的有效性。竖井内火羽流和自然对流的计算结果与文献给出的实验值总体上符合较好。在此基础上讨论了3种不同开口形式竖井内火灾及加热情况下的内部流场,发现两者在表观上具有一定相似性,但火灾状态下流场湍流更强,卷起的涡团更多,流场温度更高。此外,开口形式亦对竖井内流型产生很大影响。