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.     

基于格子玻尔兹曼多相流通量求解和分形理论的微尺度瑞利-泰勒不稳定性

采用MLBFS(multiphase lattice Boltzmann flux solver)方法对两种不相混溶、不可压缩流体的微尺度下瑞利-泰勒(R-T)不稳定性进行数值模拟。通过分析R-T不稳定性初期线性阶段的漩涡发展来比较不同粘度的影响。当该过程进入非线性阶段,界面会呈现一定的分形特性;在高雷诺数情况下尤其明显。结合分形理论,运用盒维数法对界面图像进行处理,得到不同情况下界面分形维数的发展情况。研究表明当雷诺数较小时,界面分形维数呈现近似线性的增长;随着雷诺数增大,界面扰动不断加剧界面分形维数增长呈现明显的非线性状态,当雷诺数足够大时,界面的分形维数增长呈现相似性并且趋于饱和。同时,也对比了重力作用恒定时表面张力对R-T不稳定性的影响。当Bo数稍大时,表面张力的变化对界面的发展几乎没有影响;但是当Bo数极小时,表面张力对界面不稳定抑制作用明显,界面分形维数也明显小于Bo稍大的情形。     

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。     

两层和多层结构中盐指现象的数值模拟

采用COMSOL有限元数值模拟的方法,研究了两层各自均匀溶液模型中不同参数对盐指现象的影响。结果表明,系统的热瑞利数RT、盐瑞利数RS、初始密度稳定率Rρ0均影响界面处产生的盐指现象。当RT、Rρ0增加时,盐指增长的速度会变慢,盐指的数量增多;当RS增加而Rρ0减小时,盐指增长的速度变快,盐指的数量增多;并且在RS增大到某一值(或Rρ0减小到某一值)时,盐指的性质会发生突变。进一步提出并研究了多层溶液结构模型中的盐指现象,结果表明相邻界面之间的相互作用对盐指的产生及形状有着重要的影响。     

量子棒中弱耦合杂质束缚极化子的振动频率

给出了具有椭球边界最子棒经过坐标变换成球形边界的哈密顿量.采用线性组合算符和幺正变换的方法研究了在非均匀抛物限制势下量子棒中弱耦合杂质束缚极化子的性质.导出了量子棒中弱耦合杂质束缚极化子的振动频率随库仑束缚势和椭球的纵横比的变化关系以及声子平均数随电子-声子耦合强度和椭球的纵横比的变化关系.数值计算结果表明:振动频率随库仑束缚势的增加而增加,当e'>1时,振动频率随椭球的纵横比的增加而增加.e'<1时,随着椭球的纵横比的减少,振动频率增大.当e'=1时,振动频率取极小值.声子平均数随电子-声子耦合强度的增加而增加,随着椭球的纵横比的减少而增大.     

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.     

水平旋转圆筒表面局部对流换热特性实验

以旋转圆筒型热工设备为研究对象,设计了大直径水平旋转圆筒实验装置.利用微型热电偶,测量了高格拉晓夫数(1×108)下圆筒表面各个方位角处空气热边界层的温度分布.实验结果表明:旋转对圆筒表面0°和180°处的局部对流传热系数的影响有明显差异;旋转使得圆筒表面温度和局部对流传热系数的分布不均匀,尤其当旋转雷诺数大于临界雷诺数时的影响尤为突出.确定了临界雷诺数的准则数关联式.     

应用FPM方法模拟封闭方腔自然对流

为验证有限粒子方法（FPM）能否很好地模拟自然对流问题,采用FPM方法对封闭方腔自然对流问题进行了数值模拟. 对FPM方法进行详细描述,并利用FPM方法对拉格朗日型的N-S方程进行离散,基于离散后的方程对瑞利数Ra分别为104,105,106的封闭方腔自然对流问题进行数值模拟,给出了不同瑞利数条件下的速度和温度云图以及中心线上量纲一的速度和温度分布曲线. 结果表明,FPM方法能够获得较准确的温度分布规律,当瑞利数较低时也能获得较准确的速度分布规律,但随着瑞利数的增大,速度场的模拟结果精度和稳定性变差,因此为了获得更准确和光滑的速度分布场,需要对FPM方法做进一步的改进.      

矩形闭合空间内多孔介质中自然对流传热研究

对底面恒温加热顶面恒温冷却、其它壁面绝热的矩形闭合空间内多孔介质中的自然对流传热问题,简化为二维模型进行数值计算和分析,在Ra≤300范围内,揭示了流场、温度场和换热效果随瑞利数(Ra)变化的特性,证实了从导热向自然对流开始过渡的第一临界瑞利数 Ra_c=40,给出了努谢尔特数(Nu)、瑞利数(Ra)和形状比(A)之间关系的理论计算公式和曲线。     

基于MLBFS和分形理论的微尺度瑞利-泰勒不稳定性研究

采用MLBFS（Multiphase lattice Boltzmann flux solver）方法对两种不相混溶、不可压缩流体的微尺度下瑞利-泰勒（R-T）不稳定性进行数值模拟。通过分析R-T不稳定性初期线性阶段的漩涡发展来比较不同粘度的影响。当该过程进入非线性阶段,界面会呈现一定的分形特性,在高雷诺数情况下尤其明显。本文结合分形理论,运用盒维数法对界面图像进行处理,得到不同情况下界面分形维数的发展情况。研究表明当雷诺数较小时,界面分形维数呈现近似线性的增长,随着雷诺数增大,界面扰动不断加剧界面分形维数增长呈现明显的非线性状态,当雷诺数足够大时,界面的分形维数增长呈现相似性并且趋于饱和。同时,本文也对比了重力作用恒定时表面张力对R-T不稳定性的影响。当Bo数稍大时,表面张力的变化对界面的发展几乎没有影响,但是当Bo数极小时,表面张力对界面不稳定抑制作用明显,界面分形维数也明显小于Bo稍大的情形。     

有凸出离散热源封闭空腔内耦合自然对流换热

建立了一侧竖壁等温冷却、另一侧竖壁均匀分布五个凸出热源的二维封闭空腹的自然对流换热的数学模型,对不同高度比下的层流自然对流换热进行了数值分析,空腔高宽比范围为：3.0≤A≤12.22,RaH为10^7,Pr数取30。计算结果表明,与平面热的情形相比,凸出热源的整体换热效果较好。当高宽比A较大时,空腹内出现的多个二次流强化了传热;A减小时,由于二次流的减弱和消失,换热效果下降,最后根据计算结果整理出了空腔内的传热关联式。     

水平六角蜂窝腔内三维自然对流的数值计算

通过对水平六角蜂窝腔内流动和换热的数值计算，得到了Ra数从500～10^5内侧壁绝热时蜂窝腔内空气的流动换热结果．计算对比分析了在大温差条件下采用Boussinesq假设所带来的计算误差．数值计算方法采用有限体积的SIMPLEC算法，考虑蜂窝腔内空气物性随温度的变化．计算结果显示，在Ra=1000时，腔内的空气开始出现不稳定．对流项的离散采用二阶迎风格式和QUICK格式可得到几乎相同的结果，而采用一阶迎风格式可使结果产生一定的误差．计算结果也表明，在所计算的问题中，如果采用Boussinesq假设将使计算结果误差比较大．     

高宽比对竖壁冷却离散加热的二维空腔内自然对流的影响

采用SIMPLE算法数值值分析了高宽比对一 侧竖壁等温冷却，另一侧竖壁均匀分布5个离散热源的空腔内高Pr数流体自然对流流动和传热的影响。发现H/W=12.22时出现的多个二次流强化了传热，其整体传热效果最好；H/W减小时由于二次流的减弱和消失，传热急剧下降，并在H/W=7.35时达最小值；H/W继续减小时，由于对流的展开和加剧使传热得到某种程度的增强，在H/W=3.67时达到稳定，在这之后H/W的减小对传热不再产生显著的影响，另外，根据数值值计算的结果还整理出包含高宽比影响的综合关系式。     

翻转单元对融化过程传热强化作用的数值模拟

为了提高板式相变储能单元的融化传热速率,提出了在相变材料融化过程的适当阶段翻转储能单元以起到传热强化作用的方法,并采用数值法对该方法的传热强化效果进行了分析.研究表明,在融化过程的适当阶段翻转储能单元可提高融化速率30%,其传热强化作用的大小取决于Rayleigh数和Stefan数的大小,且Stefan数越大或Rayleigh数越小,翻转单元的传热强化效果越明显.相比较而言,单元高宽比的改变对传热强化作用的影响相对较小.     

纳米流体强化换热特性的LBM模拟

采用LBM模拟了封闭方腔内不同体积分数、不同浮升力参数下纳米流体自然对流时速度场与温度场的分布,得出了纳米流体换热强度随各参数的变化情况.结果表明,当Ra较小时换热表现为导热占主导,随着Ra增大,换热表现为对流占主导,两者的换热都会随着纳米颗粒体积分数的增加而增强,且纳米颗粒体积分数在壁面附近对温度分布的影响比在中心区域的明显;在不同Ra下,纳米粒子体积分数增加所引起的X和Y方向速度峰值增大的幅度不同,Ra较大时,随纳米粒子体积分数的增加,X和Y方向的速度峰值大幅增加.     

基于多相流模型的腔体内纳米流体自然对流换热数值模拟

运用多相流混合模型和单相流模型模拟了纳米流体在封闭腔体内的自然对流换热特性,将模拟结果与相应的实验值进行对比,分析了瑞利数、格拉晓夫数和纳米颗粒体积分数等物理量与努塞尔数的关系;同时,对比分析了纳米流体和纯水在水平与垂直中心截面的速度分布,以及封闭腔体内流体的温度场及流场.结果表明:基于N-S方程的单相流模型所得努塞尔数变化曲线与水的努塞尔数曲线较吻合,但不能反应纳米流体的换热特性;而基于多相流混合模型所得努塞尔数变化曲线与相应的实验结果较吻合;纳米颗粒的添加能够显著增强封闭腔体内的流体运动,有利于强化封闭腔体内流体的能量传输,起到了对流换热作用.     

矩形空腔内多个离散热源自然对流的数值分析

用SIMPLER算法,数值分析了顶部散热的矩形空腔内一侧竖壁上均匀放置5个离散热源的自然对流传热,探索了瑞利数和空腔高宽比对流动和传热的影响。分析指出:空腔中心存在一个近似等温区:相同热负荷下随着宽度的增加热源表面局部换热系数增大、但冷源平均换热系数却因冷源平均热流密度的减小而降低。数值计算的结果和实验值吻合得很好。     

垂直矩形封闭空腔内自然对流传热的数值计算

对由两个不同温度的垂直等温壁和两个绝热或导热的水平壁所组成的二维封闭空腔内的自然对流传热进行了数值模拟；分析了瑞利数（Ｒａ）及Ａ值（高宽比）对腔内温度分布和空腔传热性能的影响，并提出了传热系数关联式．此外对高Ｒａ下在空腔中心出现的“逆向温差”现象也作了合理的解释，并校核了由Ｅ．Ｒ．Ｇ．Ｅｃｋｅｒｔ和Ｓ．Ｈ．Ｙｉｎ 提出的传热状态分区图．     

多孔壁入流及其对槽道内主流流动与换热的影响

对带有多孔壁入流的水平槽道内主流气体的流动与换热问题进行了数值模拟。数值计算中将主流区和多孔壁面区进行耦合求解,对多孔壁面内流动和换热、多孔区域的非均匀温度分布、注入率对表面温度的影响等进行了研究。计算结果表明:在多孔壁面内部,冷却气体与多孔壁面内固体颗粒之间存在一定温差,说明在对多孔壁面内部的流动与换热进行体积平均式的宏观数学描述时采用局部非热平衡模型的必要性;在靠近主流气体的多孔壁面孔隙内产生与主流相反方向的速度分量。此外,不同注入率下多孔壁面上表面固体温度的计算值与实验结果基本吻合。