膨胀率对氮气和水蒸气超音速凝结特性的影响

为了研究膨胀率对氮气和水蒸气超音速凝结特性的影响规律,利用双组分凝结流动数值模型对氮气和水蒸气的不平衡凝结流动进行了数值模拟.对数值模型进行了验证,发现模拟结果与实验结果一致.利用该数值模型研究了不同膨胀率对氮气和水蒸气凝结流动的影响,发现在相同的进口参数下,随着膨胀率的增大,极限过冷度变大,液滴成核率和液滴数增大,但液滴半径减小.在超音速分离管设计过程中,需要综合考虑膨胀率与液滴半径两方面因素来获得较高的分离性能.     

生物小样品在过冷液氮中的动态传热问题

分析了小样品在过冷液氮中快速冷却的特点,分别采用经典的抛物型热传导方程、C-V模型和DPL模型来描述其传热过程,采用有限差分法对生物小样品在过冷液氮中的动态传热过程进行了数值求解。结果表明,非傅立叶模型较傅立叶模型有一定的时间延迟,但DPL模型与C-V模型差别不大,样品在冷却过程中,温度在70 ms时降至-200℃以下,提高弹射初始速度和增加液氮过冷度有利于提高冷却速率。     

低温透平膨胀机内非平衡自发凝结两相流动的数值研究

针对低温透平膨胀机内复杂自发凝结三元两相流动问题,基于非等温修正成核模型及Gyarmathy液滴生长模型,采用非平衡凝结数学模型,准确预测了气体快速膨胀中凝结成核和液滴生长的过程,基于数值模拟结果,研究了进口过热度和旋转作用对工作轮流道内自发凝结过程的影响,并分析了流道内液滴数目密度、液滴直径及带液量的分布规律。模拟结果表明:当进口过热度不够低时,快速成核发生在工作轮内导流段并发展缓慢,致使气体始终保持在较高的过冷度状态且成核区域较大;非平衡自发凝结与二次涡流的相互作用产生的逆温梯度会带来附加热力学损失,同时增大的逆压梯度会造成更强的边界层分离,从而引起附加流动损失;对于径-轴式工作轮,在二次涡流区域、吸力面壁面附近及尾迹涡流区域内容易发生液滴的聚集,这很容易引起二次成核并形成大尺寸二次液滴,进而带来附加机械损失。     

湿蒸汽中超临界加热引起的非定常凝结流动一维数值分析

缩放喷管湿蒸汽两相凝结流中,凝结潜热对超音速气流加热使流动变为音速的加热量称为临界加热量.远大于临界加热量的凝结潜热对气流加热将导致喷管中产生不稳定的气动激波.文中采用时间推进方法,对喷管中超临界加热引起的非定常凝结流动现象进行了一维数值分析,并对计算的凝结流动波动周期和压力振幅与实验值作了比较.研究发现进口过冷度对非定常凝结流动特性有主要影响,而且在一定进口过冷度下,不稳定凝结流动的频率和压力振幅都存在极值;同时进口压力对不稳定凝结流动特性也有一定影响.     

过热液中汽泡生长初期阶段特性

依据非平衡热动力学相变理论建立了在均匀过热液中的汽泡生长模型．该模型中引入多变热,以保证汽泡在正化学势差作用下长大．采用数值计算方法,对汽泡生长的初始阶段特性进行了研究．计算表明,汽泡在此生长阶段存在滞后和自适应调节现象,滞后时间与引入的不同温度、压力、速度等扰动量的强度有关．在一定范围内,扰动大小并不明显影响汽泡生长曲线     

微通道中临界热流密度的实验研究

对当量直径0.5 mm,有效加热长度45.0 mm的微通道进行了临界热流密度的实验研究.表明临界热流密度随工质质量流速和进口过冷度的增加而增加.基于实验数据给出了临界热流密度与Weber数、进口过冷度的关联式.实验还发现微通道中的临界热流密度现象不同于常规通道.微通道中临界热流密度的产生是由于微通道的蒸汽阻塞.在达到临界热流密度之前,微通道的流动和传热主要是周期性的过冷流动沸腾,从微通道逸出的汽泡和进入微通道的液体反复交替冲刷微通道.一旦达到临界热流密度,微通道中的流动和传热主要是一个蒸汽周期性逸出的过程.一直持续到过热蒸汽的出现,直到最后整个微通道被过热蒸汽阻塞.     

固定汽泡周围的温度场分布

为估计M arangon i对流和自然对流对汽泡周围流场的影响,对加热面朝上和朝下的不同大小和过冷度的汽泡周围温度场进行了测量。通过比较测量所得温度场和带N av ier-S tokes方程的数值模拟结果可知,在完全没有浮升力时,M arangon i流会使得流场呈现一个向下的类似于射流的形状,但有了浮升力,向下的流动会立刻转向上,在加热表面附近形成涡流。即使加热面朝下,这种浮升力引起的自然对流依然影响整个流场,以至于这个系统不能很好地表现在微重力条件下的汽泡周围的流场。     

进汽参数对拉伐尔喷管中水蒸气自发凝结的影响

针对不同进汽参数条件下水蒸气从过热区膨胀进入湿蒸汽区的自发凝结规律问题,采用数值模拟方法研究其流过拉伐尔喷管时在非平衡和平衡条件下的凝结特性,分析了进汽参数对水蒸气非平衡凝结过程的过冷度、液滴数、湿度、压比以及马赫数的影响,比较了其平衡凝结和非平衡凝结特性的差异。结果表明:当进汽压力较低时,水蒸气非平衡凝结过冷度较大,压力和马赫数的突跃现象显著;随着进汽压力提高,非平衡凝结造成的参数突跃变化减小,出口湿度逐渐增大,当p/pc为0.8时,出口湿度超过了20%。通过比较水蒸气的平衡凝结和非平衡凝结特性,发现喷管进汽压力较低时,水蒸气非平衡凝结与平衡凝结计算结果的差异显著,Wilson点在平衡态中湿度达到8.40%;而当进汽压力接近临界压力时,平衡凝结的计算结果基本接近非平衡凝结的结果,Wilson点在平衡态中的湿度仅为1.98%。     

不凝气体存在时水平单管外膜状凝结换热的数值研究

为查明不凝气体对水平管外膜状凝结换热特性的影响规律,建立了水平单管的气、液双边界层模型,该模型考虑了气、液膜之间的质量连续及能量连续特征,对于不同的壁面过冷度,用数值方法首次求解并分析了边界层内局部不凝气体质量分数、温度和速度的分布规律,计算结果表明,从主流蒸汽到气流界面,不凝气体含量和气膜速度逐渐增加而气膜温度降低,平均凝结换热系数值解与实验解符合较好 。     

蒸汽水下喷注噪声的产生机理和辐射规律的研究

从单个汽泡在过冷水中的振动方程出发,导出了汽泡破裂时噪声辐射的数学模型;从理论上分析了蒸汽在水下有限空间内喷注时喷注噪声的声源和辐射规律,并发现水的过冷度对噪声的声压级和频率影响非常显著,这一发现已被随后的实验所证实．     

金属熔池往复搅拌流场中气泡运动特性数值模拟研究

应用基于体跟踪的VOF方法对金属熔池往复搅拌流场中单个气泡的运动及变形特征进行了数值模拟研究.分析了搅拌流场的往复运动频率、气泡初始尺寸、表面张力以及奥托斯数Eo和莫顿数Mo等因素对气泡运动与变形的影响.数值模拟结果表明,气泡上升轨迹与气泡直径、流场平动频率及Mo有关,气泡直径越大,其螺旋上升趋势越强;在分析范围内,平...     

静止液体中顶部浸没管口处气泡形成的数值预测

综合分析气泡的受力,基于动力学平衡建立了长大-脱离的两阶段气泡运动方程.对顶部浸没管口处形成气泡的尺寸进行直接数值预测.分析了气体流量、管口内外直径以及表面张力、液体粘度和液体密度对气泡尺寸的影响.并将计算结果与实验结果进行了对比,两者吻合较好,变化趋势一致.研究表明:气泡尺寸随着气体流量以及管口的内径和外径的增加而增大.气体流量和管口内外径都是影响气泡尺寸的重要因素;在一定气体流量下,气泡的直径随着表面张力和液体粘度的增加而增大,而随着液体密度的增加而减少;随着气体流量的增加,液体粘度对气泡尺寸的影响增强,而液体密度以及表面张力对气泡尺寸的影响减弱.     

圆形径向梯度表面能材料表面的凝结换热系数

在均质表面上的单个球缺形液滴换热模型和液滴通用尺度分布规律的基础上,结合梯度表面能材料表面上的液滴分布和凝结换热特性,得到了圆形径向梯度表面能材料表面上的滴状凝结换热计算式．在此基础上,研究了壁面过冷度、接触角梯度、工质物性等参数对梯度表面能材料表面滴状凝结换热性能的影响．     

CFD优化大型浅层鼓泡塔管式气体分布器结构

分布器结构影响大型浅层鼓泡塔反应器性能,采用CFD模拟研究了5种四管气体分布器,各分布器的通气管均匀布置在不同的分布环上（0.3/0.4/0.5/0.6/0.7＊DT）,模拟采用了双流体方法和多气泡簇MUSIG模型。文中较全面的考察了高表观气速下（Ug=0.1m/s）管式分布器分布环直径对反应器流型、相含率、液速、湍b流、气泡大小以及混合时间的影响;模拟结果表明整体气含率和混合时间均随环径比先增大后减小,气含率的最佳环径比在0.4左右,而混合时间最大值出现在0.5d/DT附近,当环径比小于时0.5,鼓泡塔内为单循环流动,大于此值,鼓泡塔内将形成双循环流动,不利于混合。     

基于FTM的不同初始形状同轴双气泡上升直接数值模拟

多气泡运动在各个工程领域广泛存在。为更好的研究不同形状的多气泡上升过程,采用界面追踪法（FTM, Front Tracking method）对四种具有不同初始形状的双气泡上升情形进行二维数值模拟。模拟结果表明,两竖直分布的气泡上升时,上部气泡的尾流会使下部气泡的速度更快;气泡的初始形状对气泡上升的速度和变形都有影响,圆形气泡相较于椭圆形气泡,上升速度更小;下部气泡为椭圆形时,上部气泡的变形更大。     

加压下气泡在液体中的行为

通过物理实验,研究了容器压力、喷嘴孔径和吹气流量对气泡形貌、直径和上升速度的影响.结果表明,在常压下,大孔径喷嘴形成的气泡呈扁平状,其上升过程形状变化大;而在大的压力下,其形成的气泡呈椭球状,上升过程形状稳定.常压下吹气流量对大孔径产生的气泡等效直径影响较小,在小的喷嘴孔径下,吹气流量能明显增加气泡的等效直径,而压力对改变小气泡等效直径的作用不明显.在低的吹气流量和高的容器压力下,较大孔径的喷嘴也能产生较小的气泡.在大孔径下吹气,压力在0.1~0.2 MPa时,不同的吹气流量下的气泡等效直径相差小;而当压力增加到0.3~0.4 MPa时,不同吹气流量的气泡等效直径差别变大.压力增加,气泡的上升速度降低,且在大的吹气流量下,压力对气泡运动速度的影响更为明显;大孔径喷嘴产生的气泡一般有更大的上升速度.在常压下,气体流量对气泡上升速度起着决定性影响,而加压到0.4 MPa,喷嘴孔径对气泡上升速度起着决定性作用.     

微柱群通道流动沸腾两相摩擦压降特性研究

为探究微柱群通道流动沸腾两相摩擦压降的影响因素,对高度和直径均为500 mm的微圆柱组成的叉排微柱群通道进行了实验研究,并借助高速摄像仪对通道内不同加热功率的气液两相流型进行了记录分析。实验中质量流速范围341~598.3 kg·m~(-2)·s~(-1),热流密度范围20~160 W·cm~(-2),工质出口干度范围0~0.2。实验结果表明,两相摩擦压降随着质量流速的增大而增大,随着热流密度的增大呈线性增长;工质进口过冷度对两相摩擦的影响随着出口干度的升高逐渐减弱。通过可视化研究发现,随着热流密度的增大,微通道内流动沸腾的流型变化依次为泡状流、环状流,环状流区两相摩擦压降明显高于泡状流区。     

基于混合热格子Boltzmann方法有限热源加热气泡动力学模拟

为探究不同润湿性表面单气泡动力学特性,通过引入差分方法的单组分多相格子Boltzmann模型,耦合能量方程构成了气液相变模型,模拟了不同润湿性表面单气泡形成过程周围流场与温度场细观,阐述了气泡生长脱离机理;研究了润湿性、过热度、有限热源长度对气泡动力学影响。结果表明,在相同过热度下,疏水壁面气泡生长速度大于亲水壁面。气泡脱离直径和脱离时间随着接触角增加而增加,亲水表面气泡脱离直径随着有限热源长度增加而增加,脱离时间随长度增加而减小。疏水表面气泡脱离直径与有限热源长度无关,脱离时间随加热长度增加小幅度减小。在不同的过热度下,亲水壁面气泡脱离直径随着过热度增加而增加,脱离时间随着过热度增加而减小。过热度对疏水壁面气泡脱离直径影响不大,但是随着过热度增加,脱离时间明显减小。模拟结果为研究强化表面沸腾传热及表面润湿性的选择提供理论依据。     

Nonlinear Bubbling and Micro-Convection at a Submerged Orifice

IntroductionThe behavior of bubbles,especially theirformation,interaction and coalescence,are of keyimportance in such fields as gas- liquid contact,gas- liquid separation,bubble absorption,bubblecolumns,fermentation,cavitations,etc. Theinduced fluid moti…