微通道稀薄气体流动换热特性的研究

用直接模拟Monte Carlo方法对处于Kn = 0.05~1.0范围下的微通道内气体的换热特性进行了分析研究, 结果给出了不同Kn数、不同横纵比下通道内气体温度、壁面热流密度的变化曲线以及同一工况下壁面总的热流密度与局部热流密度随进口流速的变化曲线. 结果表明, 微通道内的换热主要集中在进出口处, 中间部分的换热很微弱, 其换热特性与Kn数及通道的横纵比有很大的关系, 进口流速对总的换热量影响不大, 但却改变了局部热流密度的分布.     

同时发生的颗粒凝并和沉积现象的Monte Carlo模拟

同时发生的颗粒凝并和沉积所导致的离散系统动力学演变过程数学上可由通用动力学方程描述. Monte Carlo算法是求解通用动力学方程的一类重要方法. 然而, 常体积法由于模拟颗粒数目的波动而存在着计算代价和计算精度无法协调的矛盾, 常数目法由于计算区域的不断收缩或扩展而难以工程实际应用和科学定量分析, 且这些Monte Carlo算法均依赖于子系统概念而大大限制了其扩展性和应用范围. 发展一种多重Monte Carlo算法求解同时考虑凝并和沉积的通用动力学方程. 该算法引入加权虚拟颗粒的概念, 基于时间驱动, 在颗粒尺度分布时间演变过程中同步保持恒定的虚拟颗粒数目和稳定的计算区域体积, 这使得MMC算法具有考虑边界条件、颗粒尺度分布空间扩散、甚至颗粒-流体动力学的可扩展性. 利用多重Monte Carlo算法对几种特殊工况进行数值模拟, 结果与理论分析解符合很好, 表明该算法具备较高且稳定的计算精度和较低的计算代价, 这是由于虚拟颗粒数目稳定且较少的缘故. 最后分析了该算法的误差源以及相对误差.     

恒壁温边界条件下不可压缩气流在微通道内的二维层流换热

基于贴壁层概念和已经求得的贴壁层内气体黏度和导热系数变化规律,求解了等壁温边界条件下微通道内气体完全发展的二维层流换热,分别得到了平行平板微槽道和微圆管内温度分布和对流换热系数.     

疏水表面微通道电渗流的数值模拟

电渗流（EOF）广泛应用于微流控芯片中的流体传输与混合.针对具有一定滑移长度的疏水表面微通道,建立了描述EOF的控制方程,基于有限元分析方法对微通道EOF进行了数值模拟,研究了微通道高度、电场强度和溶液浓度等对EOF的影响.结果表明,疏水表面和亲水表面微通道EOF的瞬态过程相似,稳态时间尺度在ms量级,大小与微通道高度的平方成正比;EOF速度大小与电场强度成正比,与微通道高度无关;由于边界滑移的存在,疏水表面比亲水表面EOF速度明显增大,且随着溶液浓度的增大,EOF速度增大相对要大的多.该结论对于具有一定滑移长度的疏水表面微通道内EOF的精确操控具有一定的参考意义.     

离散型两相流动的大涡模拟

大涡模拟(Large-eddy simulation,LES)的研究正在取得迅速进展.和雷诺平均模拟(Reynolds-averaged Navier-Stokes modeling,RANS modeling)相比,LES可以给出流动和火焰的瞬态结构,并且在不少情况下可以给出比雷诺平均模拟更准确的统计平均结果.本文作者及其同事从2002年开始,用大涡模拟研究了气泡-液体流动的瞬态结构.后来从2005年至今陆续研究了气体-颗粒两相流动的大涡模拟、气体绕过单个颗粒流动的大涡模拟、以及有蒸发和燃烧的油滴周围的流动的大涡模拟.本文对作者及其同事近期进行的上述离散型两相流动的大涡模拟研究给出了简要的综述,包括控制方程、亚网格模型、数值方法、主要的模拟结果及其实验验证.     

微三角形槽道内非均匀定热流加热下的滑移流动换热

针对微三角形槽道, 利用正交函数法求解了滑移流区内带温度跳跃边界条件的能量方程, 理论分析了多种不同非均匀定热流密度加热条件下不可压缩气体在微三角形槽道内热充分发展滑移流动的换热特性, 获得了相应的温度分布及平均Nusselt数的计算式. 讨论了Knudsen数、微槽高宽比及不同加热边界条件对平均Nusselt数的影响. 计算结果表明: 正交函数法适用于微三角形槽道内滑移流动换热特性的分析计算; 在滑移流区, 微三角形槽道内的平均Nusselt数随Kn数的增加而减小, 但减小的幅度随微槽的高宽比和加热边界条件的不同而不同. 对微正三角形槽道而言, 相比单独底边加热条件, 两斜边加热条件下的换热性能在小Kn数时下降较缓, 在大Kn数时下降较大. 最后得到了非均匀加热边界条件下微正三角形槽道内平均Nusselt数的计算关联式.