粗糙微管道壁面振荡的磁流体流动

采用摄动法得到了粗糙微管道壁面振荡的磁流体流动的速度的近似解析解.波状管壁是由小振幅的反相周期余弦波给出的.通过数值计算,分析了振荡雷诺数Re和Hartmann数Ha对速度剖面的影响.结果表明:随着振荡雷诺数Re和Hartmann数Ha的增加,x和y方向速度的振幅减小.同时由于壁面的振荡,对固定的振荡雷诺数Re,随着y的增加,即由微管道的中心到管道的壁面,x和y方向速度的振幅逐渐增加.     

粗糙圆形管道中的振荡流

在壁面粗糙为振幅很小的正弦波的圆形管道中,周期振荡的压力梯度驱动不可压粘性流体的流动,运用摄动法求解管道内流体的近似解析速度及其体积流率.在此基础上研究了无量纲参数对速度u及体积流率Q的影响,比如雷诺数Re,无量纲的压力梯度振幅参数A,正弦波状粗糙的小振幅ε,以及波数k.其中,速度及体积流率随着Re的增加而减小;随着压力梯度振幅参数A的增加而增加.     

高Re数下N-S方程有限元数值解法研究

采用原参数形式N－S方程直接解法,研究高Re数下N－S方程数值解法,波阵技术可节省内存,提高计算效率;混合插值函数可避免求解过程中的压力振荡;时间推进解法和简化迎风有限技术可防止解的非物理振荡;低雷诺数的收敛解作为高雷诺数的初场,定常解作为非定常解初场,可提高解稳定性,加快收敛速度,最后以驱动方腔为计算实例,对解法进行了验证,得到的结果与经典结果吻合较好,为高Re数下N－S方程的数值解提供了参考。     

基于Chebyshev配置点谱方法的多孔介质平板通道内的流体流动数值模拟

本文基于Chebyshev配置点谱方法,利用数值模拟研究了多孔介质平板通道内的流体流动问题。针对动量方程的离散,空间上采用Chebyshev配置点谱方法,时间上采用准隐式格式离散,结合改进的投影算法(IPS)将速度和压力的计算解耦为一系列椭圆方程(泊松方程或亥姆霍兹方程),转换椭圆方程为矩阵方程形式后利用二步求解法求解矩阵方程。通过MATLAB编程实现对多孔介质平板通道内的流体流动问题的数值模拟并验证了程序的准确性。在此基础上,讨论了达西数(Da),雷诺数(Re)以及孔隙率(ε)对多孔介质平板通道内流体的速度分布、边界层厚度及入口长度的影响。     

受限方腔内绕流两圆管强制对流换热的数值研究

针对热电冷综合利用系统中的集热箱,抽象出一个受限方腔内两圆管的强制对流换热问题并进行了数值研究.分别对不同雷诺数Re以及不同管间距s的情况进行数值模拟.结果表明,Re较小时流体流动与换热随时间变化,最后趋于一个稳定的对称状态;当Re增加至一定值后,流体流动与换热随时间变化,处于非对称状态.随着Re的增加,流动出现振荡,流体与圆管壁面换热不断增强,计算得到的解从定态解发展为周期性振荡解、多倍周期振荡解,最终发展为混沌.对于不同管间距s,当Re≤150时,管子间距的不同对受限腔内的换热影响不是很大;当200≤Re300时,管间距s对于流动与换热有较大的影响;但当Re≥300之后,管间距s对换热影响较小.     

扩缩通道内流动和换热非线性特性的数值模拟

对扩缩通道内流动与换热进行了数值模拟并探讨了其中的非线性特性.通过对不同突扩比ER、不同长宽比AR及不同雷诺数Re下通道内流场和温度场进行分析,给出在一定工况下对称通道内流体的流动和换热会出现偏斜等非线性现象的情况.数值模拟结果表明,存在临界雷诺数Rec使流体流动和换热形态发生转变,当Re超过Rec时,流体流动和换热不仅有对称解,还有非对称解;当Re继续增大时,流体流动和换热出现振荡.通道的几何尺寸及后缩段(表现为ER及AR)都对Rec产生影响.分析结果表明,当Re超过临界雷诺数Rec时,同一截面处上下壁面的局部努塞尔数Nu也由对称向非对称转变,上下壁面出现最大局部Nu的位置也不同.     

分数微分粘弹性流体振荡管道流的求解与分析

研究了分数微分Maxwell粘弹性流体在圆管中的振荡流动,导出了对时间具有分数阶导数的特殊运动方程,求解了振荡流的解析解.将解析解进行级数近似展开,分析了粘弹性流体在管道中的流动特性.研究发现:当速度表达式中自变量的系数较小时,速度呈抛物线分布;系数较大时,速度与半径无关;相位角滞后于压力梯度90°;中心线速度小于定常Poiseuille流动中心线上的速度;在管壁附近具有Richardson环形效应.     

流体的粘弹性对周期性圆管层流流动规律的影响

将粘弹性Maxwell流体本构方程和圆管层流运动基本方程相结合 ,利用数学解析方法研究了周期性压力梯度推动下脉动层流的流动规律 ,并得到粘弹性流体在圆管内周期性流动的速度表达式 ,按两种情形分析了粘弹性Maxwell流体脉动层流速度振幅分布状况。研究结果表明 ,Maxwell流体在 0～ 2π的周期内呈振荡流动。当ωt =0时 ,其速度振幅随频率和松弛时间的增大而减小。     

平行微管道中高Zeta电势的旋转电渗流动

研究了高Zeta势下平行微管道内牛顿流体的旋转电渗流动.根据薄的双电层假设,解析求解了非线性Poisson-Boltzmann(P-B)方程,进而获得了电荷密度分布.考虑旋转坐标系下流体的Navier-Stokes控制方程,利用常数变易法得到了电渗速度及流率的半解析解,并且将得到的结果与低Zeta电势的结果进行比较.通过数值计算,研究了无量纲壁面电势ψ0、旋转角速度ω以及电动宽度K对电渗速度剖面的影响.结果表明:远离双电层的流体更容易受到旋转的影响,从而导致电渗速度剖面在微管道中心处形成一个凹面;相比于低Zeta电势的情况,其电渗速度更大,因此高Zeta势能够促进流体流动.此外,还研究了无量纲壁面电势ψ0、旋转角速度ω对流率的影响.     

周期性压力对T型微管内二元流体混合效果的影响

在微流动领域经常涉及到试剂的混合问题,但是在微设备中,雷诺数Re低,流体趋向于形成层流,很难发生有效的混合.通过对微管内流体施加周期性压力使流速随时间呈周期性变化可以有效促进微流动混合.运用格子Boltzmann方法模拟了T型微管内流体的流速随时间呈正弦曲线变化而导致的混沌现象.结果发现,混沌混合的效果取决于两流体流速的相位差、流速的变化周期和系统的雷诺数Re.     

Powell-Eyring模型的平行平板间库埃特流动

利用同伦摄动法求解了平行平板间Powell-Eyring流体的库埃特流动,得到了近似解,并用切比雪夫谱配置法验证近似解.在此基础上,研究了无量纲参数无量纲压力梯度Ω和Powell-Eyring流体和牛顿流体的黏度之比Reγ对速度剖面u的影响.结果表明,同伦摄动法的收敛速度较快,展开到1阶解就完全跟数值解吻合;速度振幅随Ω增加而减少,随Reγ增加而增加.     

平行板微管道内周期旋转电渗流动

研究了平行板微管道内周期旋转电渗流动.基于线性Poisson-Boltzmann方程和NavierStokes方程,利用本征函数展开法,求解了电渗流(Electroosmotic flow)速度和体积流率的解析解.在此基础上,研究了外加交流电场振荡频率α,旋转角速度频率ReΩ和电动宽度K对速度和体积流率的影响.结果表明,速度和体积流率的峰值随时间t先增大然后达到稳定的最大峰值,当速度峰值达到最大后,流速和体积流率都是随时间t的周期函数.速度和体积流率达到最大峰值所需要的时间随着ReΩ的增大而增大.     

液封厚度对双向温差下环形双液层内热毛细对流的影响

液封厚度对液封系统内的热毛细对流有着重要的影响,但已有的大多数研究集中于单向温差下流体在液封系统中的流动.文中采用数值模拟方法研究了液封厚度对双向温差下环形双液层内热毛细对流的影响.模拟过程中,液池底部施加线性温度梯度,自由表面考虑对流换热,厚度比H_r取0.1~0.9,热毛细雷诺数Re取0~1.5×10~6,液池深宽比Γ取0.1、0.2、0.3.结果表明:Re较小时流动为稳态,热毛细对流强度随H_r增大而减弱;当Re不断增大至超过一定值时,流体的流动转变为振荡的多胞流动,流体振荡振幅和流动强度随H_r增大而减小;流动转变的临界值不随H_r单调变化,H_r=0.5~0.7可以使得不同Γ下的临界Re最大,此时流动稳定性最好.     

塑性流体在光滑圆管内的湍流流动及屈服应力对流动的影响

本文应用随机湍流模型对塑性流体在光滑圆管内的湍流流动规律进行了研究,得到了包括近壁区域在内的断面时均速度分布和平均速度、沿程阻力系数的计算公式。结果表明,塑性流体的屈服应力对湍流流动的影响是由比值τ0/τw(τo为屈服应力,τw为管壁处切应力)的大小来决定的,随着雷诺数Re的增大或管径减小,这种影响将很快衰减,而屈服应力对无因次速度剖面的分布影响很小。     

具有抽吸/喷注的多孔壁圆柱管道内磁流体的流动

研究了水平方向存在磁场的可渗透圆柱形管道内稳态不可压缩流体的层流流动,通过引入流函数,将控制方程化为非线性常微分方程.假设抽吸/喷注雷诺数和磁场雷诺数均很小,将小雷诺数作为小参数,应用摄动法求解了问题的近似解,进一步研究了流体速度、压降及管壁表面的摩擦阻力系数.在磁场的影响下,主流方向的压降随着抽吸雷诺数的增加而降低,随着喷注雷诺数的增加而增加.壁面的摩擦阻力系数随着抽吸雷诺数或磁场强度的增加而降低.     

束解非定常方柱绕流的可变周期时间谱方法

针对周期性非定常流动特点,采用时间谱方法求解了无限大区域内低雷诺数下二维不可压缩层流绕方柱流动问题.由于方柱绕流的非定常运动周期事先未知,在计算过程中加入了基于残差梯度的可变周期计算方法,使变量和周期可以同时迭代计算.研究了时间谱方法的计算精度和求解速度,分析了不同求解参数对最终结果的影响.计算结果表明,时间谱方法可以准确地模拟方柱后漩涡的非定常运动现象,而计算所需时间只是传统的基于有限差分的双时间推进方法的10%～25%,流体非定常运动的Strouhal数和方柱的阻力特性证实了这种方法的正确性.可变周期计算方法对求解参数的变化不敏感,可以准确地预测运动周期.     

小雷诺数下圆柱绕流的流场特性及规律研究

在小雷诺数(Re＜ 100)的情况下,采用有限元方法对不同雷诺数下圆柱绕流流场中的漩涡进行了数值模拟.流体域应用Navier-Stokes方程进行求解,重点考虑了随着雷诺数的变化而引起圆柱绕流流场漩涡的变化,圆柱应力、升阻力的变化情况.数值计算结果随着雷诺数的不断增加,反向对称漩涡的各计算尺寸也随之增加,而且几乎成线性...     

较低雷诺数下ITTC尺度效应换算方法的改进

应用基于非结构化网格的过渡流模型,在商业CFD软件STAR-CCM+平台上,对不同雷诺数(Re)下螺旋桨模型和实桨进行数值模拟,分析了螺旋桨叶面和叶背边界层的流体流动随Re的变化情况,将浆叶0.75R剖面压力面和吸力面的摩擦阻力系数的数值模拟结果与国际船模试验池会议(ITTC)推荐的尺度效应换算公式以及平板摩擦阻力系数计算公式的计算结果进行对比,并对ITTC尺度效应换算方法在较低雷诺数下进行了改进,即应用不同的公式分别计算叶面和叶背的摩擦阻力系数.结果表明,螺旋桨叶面与叶背边界层的流体流动不同,故吸力面和压力面的摩擦阻力系数计算公式有所不同.当Re较小(接近临界雷诺数)时,改进方法比ITTC尺度效应换算方法计算的结果更准确;当Re1.0×106时,改进方法与ITTC尺度效应换算方法的计算结果基本一致;当Re2.0×106时,Re越大,2种方法的计算结果偏离实际值越多.     

喷嘴长宽比和雷诺数对旋流冷却流动与传热特性的影响

针对叶片前缘冷却流动与传热问题,建立了合理的旋流腔冷却结构。通过求解三维稳态RANS方程和标准k-ω湍流模型,数值分析了喷嘴长宽比和雷诺数对旋流冷却流动和传热的影响。基于数值计算结果对无量纲传热系数Nu、喷嘴长宽比Car和雷诺数Re进行方程拟合,得到旋流冷却的传热关联式。结果表明:冷气从喷嘴进口切向射入旋流腔并形成高速旋流,显著增强换热;随着喷嘴长宽比从0.2增大到9,旋流外区面积、冷气速度和冷气湍流动能先减小后增大,冷气压力系数先增大后减小;在大喷嘴长宽比时,Nu沿旋流腔周向和轴向的分布较为均匀;随着雷诺数的增大,冷气在旋流腔中的流动结构不变,而冷气速度、湍流动能、压力系数和壁面Nu均显著增大;平均Nu随着雷诺数的增大而显著增大,随着喷嘴长宽比的增大先减小然后增大;传热关联式与数值计算结果的误差在10%以内,可以准确预测旋流冷却的换热系数。     

低雷诺数下方柱和圆柱涡致振动的数值分析

通过数值求解二维不可压粘性流体的N－S方程研究了方柱和圆柱在低雷诺数（Re一叨一130）下的涡致振动．柱体振动对流体的影响用动网格法模拟．N－S方程采用时步分裂技术先求出中间速度场,再用多重网格法求解泊松方程得到压力场,最后根据压力场对中间速度场进行修正．柱体的振动方程用Newlllaix一月法求解．通过计算柱体和流体的相互作用,笔者成功地捕捉到了“销定”和“拍”现象．计算结果与实验结果相当吻合,并和已有的用任意拉格朗日一欧拉公式的有限元法计算的结果进行了比较．低雷诺数下方柱和圆柱涡致振动的数值分析@曹丰产@项…