微通道内流的微尺度粒子图像测速技术实验研究

采用微流动粒子图像测速技术Micro-PIV对0.4~0.8 mm的方形截面微通道流场进行了研究.实验选取3μm的荧光染色微球作为示踪粒子,使用532 nm激光、12位灰阶电荷耦合器件(CCD)相机及10倍显微物镜得到粒子图像.通过背景噪声处理技术提高了图像信噪比,并采用系综相关及回归算法得到了微通道截面的速度分布,测量的空间分辨率达到23.68μm×23.68μm×15.64μm.为了消除壁面随机粗糙分布的影响,采用沿流向进行空间平均方法得到了充分发展的方形截面微通道速度分布.将测量结果与方形截面理论幂函数速度廓线进行比较发现:微通道近壁区流场受到扰动的强弱和流道尺寸直接相关,除近壁区外的大部分区域速度分布与矩形截面流道理论速度分布符合良好.     

三角形微通道中环状冷凝过程的数值模拟

建立了三角形微通道中环状冷凝的一维稳态模型,给出了等边三角形微通道中环状冷凝过程的液相毛细半径沿轴向的变化曲线.计算发现,在等边三角形微通道中,气液界面毛细半径先沿程急剧增加,然后趋向平缓,最后再急剧上升,且毛细半径的平缓段占据了绝大部分冷凝段总长度.在接触角和通道热流密度较小或者通道水力直径和入口蒸气压力较大时,冷凝段长度较长.在冷凝过程中,流速和液相压力沿程变化剧烈.该模型较好地解释了三角形微通道环状冷凝机理,并能用于估算冷凝过程的部分参数,为进一步推导更完善的微通道冷凝模型奠定了基础.     

锯齿型微通道内流流场的微尺度粒子图像测量

利用微通道粒子图像测速技术在Re=150时,对断面尺寸为800 μm×800 μm的两种锯齿型微通道流动进行了研究.采用3 μm荧光示踪粒子、10倍显微物镜和14位灰阶CCD相机获得了清晰的粒子图像,通过多幅图像平均的方法消除示踪粒子布朗运动的影响,使用滤光装置提高图像信噪比.对两种锯齿形微通道流动的整场测量发现:微通道内流体在各齿之间流动结构基本一致,尖角和圆角齿形微通道在转弯内侧都存在一个低速旋涡区,圆角齿形微通道旋涡区占据范围相对尖角通道更大;在尖角齿形流道的尖角处,除存在一个完整的大涡外,还发现在大涡上部存在一个与大涡方向相反的叠加涡,叠加涡流动结构不稳定,流速更低,流体中所挟带杂质更容易在该区域沉积形成堵塞,从而导致微流道结构的改变.     

T型微通道内气液两相流数值模拟

采用相场方法,在湿壁面条件下对T型微通道内不可压缩气液两相流动进行了模拟研究.数值模拟中得到微通道内特有气泡——Taylor气泡形成的过程,发现其形成共经历了4个阶段,气泡在形成过程中主要受到挤压力、表面张力、黏性力的作用,分析各阶段这3种力对气泡的作用,得到Taylor气泡形成机理.计算结果表明,挤压力和表面张力在气泡整个形成过程都起作用,表面张力在气泡脱离前达到最小值,黏性力仅在气泡形成前两阶段起作用并在阻塞阶段取得最大值.这些基本规律为有效控制微通道内气泡尺寸和微通道系统设计提供了一定的依据.     

微TPV系统中多孔介质燃烧室的数值模拟

为优化燃烧室的设计,提高微热光电系统的整体效率和工作性能,建立了颗粒填充型多孔介质燃烧室.通过试验验证,应用Fluent软件对多孔介质结构的微燃烧室进行数值模拟,分析孔隙率、氢氧体积混合比和流量比等因素对燃烧室性能的影响.模拟结果表明,采用多孔介质结构可以改善燃烧室的燃烧性能,燃烧室在多孔介质孔隙率为0.52,氢氧体积混合比为2:1,入口流量为200 mL/min时燃烧效率较高,有利于微热光电系统稳定高效地工作.     

微喷管中亚声速流场的数值模拟

采用Navier-Stokes方程对微型缩放喷管内的亚声速流动进行二维数值模拟，重点考察滑移边界条件对计算结果的影响．通过比较有与无滑移边界条件的数值结果，发现微喷管内努森数处于0．014-0．023时，滑移边界条件对微喷管推力的影响不大，但对微喷管扩张段的流场则有较大影响．     

降膜微通道内液相成膜特性及气-液传热过程数值模拟

采用流体体积函数(VOF)模型对浓硫酸(w=98%)在降膜微通道内的降膜流动及气-液两相传热行为进行了二维数值模拟。重点分析了液相入口流速对液膜厚度、液膜内速度分布的影响,结果表明液膜厚度与入口流速成正比,液膜内速度呈抛物线型分布。模拟研究了气-液两相入口流速、温度等因素对相间传热系数的作用规律,结果表明传热系数随气、液入口流速的增加而增加,随气相入口温度的增加而降低。与传统设备相比,降膜微通道内模拟所得的液膜努塞尔(Nu)数提高约8.77倍。     

多孔介质反应器的数值模拟

利用专业的多物理场耦合软件(COSMOL Multiphysics)对多孔介质反应器模型内的不可压缩流场进行了仿真模拟,计算过程中采用软件中的自由和多孔介质流动和稀物质的传递内置模块,得到了多孔介质反应器内中各组分的浓度场﹑速度场及压力场分布。该模型验证了自由和多孔介质流体在固定床反应器中的耦合。利用后处理软件对计算结果进行分析,为其后期的工业开发提供了理论依据。     

矩形微通道内滑移区气体流动换热的数值模拟

在等壁温边界条件下对矩形微细通道速度滑移区的对流换热进行了二维数值模拟、在一阶速度滑移和温度跳跃的边界条件下，计算出了通道内的速度和温度以及压力分布。比较了不同克努森数Kn对于滑移速度和跳跃温度的影响。结果表明，由于气体的稀薄性，压力呈现更加线性化减小的趋势，随着Kn的增加，通道入口与出口处的滑移速度和跳跃温度至现增加的趋势。在通道入口附近，气流速度和温度变化剧烈，而在出口处截面平均流速和温度随加的增加而降低．     

微柱体对微通道热沉综合性能影响的数值分析

为强化微通道热沉的传热性能,设计一种内置微柱体的微通道热沉,并采用数值方法研究微柱体对微通道热沉内流体流动、传热及综合性能的影响。分析了进口雷诺数、微柱体的错位量对内置微柱体微通道热沉(微柱通道)的压降、热阻和努塞尔数的影响,并与光滑微通道热沉(光滑通道)进行对比。采用热阻与泵功的关系、熵产原则及性能评价准则对微通道热沉的综合性能进行评价。结果表明,微柱通道压降和努塞尔数随雷诺数增大而增大,热阻反而减小;在研究的雷诺数范围内,微柱通道压降比光滑通道的平均高84.3%,热阻平均低27.8%,而努塞尔数平均高54.5%;有错位量的微柱通道热阻比无错位量的平均低8.9%,而努塞尔数平均高12.6%;微柱通道综合性能优于光滑通道,且有错位量的微柱通道更优。     

潮汐水域流速场和温度场的数值模拟研究

结合拟建的深圳前湾电厂冷却水工程实际,对电厂温排水排入附近海域的流速场和温度场进行了平面二维数值模拟。将流速和潮位的计算结果与实测资料进行了分析比较,二者吻合良好。在此基础上,对电厂温排水的温度影响范围及取水温升进行了数值模拟预报,为工程设计和环境评价提供了依据。     

车辆外部流场的数值模拟研究

将车辆外部流场视为三维定常可压缩气体的紊流流动来进行数值模拟,求出了车辆外部三维的压力、流速分布情况,获得了车辆外形与气动阻力系数等车辆空气动力学特性的定量关系;探讨了数值模拟的数学模型与计算方法和提高计算精度与加速收敛的措施,并用测试结果验证了计算结果的正确性     

螺旋流光整加工中旋涡流流场的数值模拟研究

运用CFD软件Fluent和Gambit对加有阶梯形套管和锥形套管的等直径工件孔内旋涡液流场进行了数值模拟,模拟结果用流线图、切向速度径向分布图等表示,通过对结果的分析比较得出了结论,为今后螺旋流光整加工的实验研究提供了依据。     

絮凝搅拌器内部流场特性数值模拟

在气液交界面形态对比和LDV试验验证基础上,基于CFX 侵入式实体模型,应用标准k-ε湍流模型对容积为1 L的絮凝搅拌器内部流场特性进行了数值研究.结果表明:下循环区的流体运动速度和速度梯度较大;搅拌强度增加,速度梯度增大;转速对叶轮附近切向速度梯度影响最大,该区域切向速度梯度值与其他区域最大相差两个数量级;下循环区湍流耗散率、湍流动能和涡流黏度较高;在研究转速范围内,转子转速对湍流动能影响相对较大,对涡流黏度影响相对较小.     

空化喷嘴内部流场的数值模拟

根据喷嘴的结构特点,建立了角形空化喷嘴和风琴管形空化喷嘴的三维结构模型和数值模型,选用RNGk-ε湍流模型,采用SIMPEC算法进行数值计算。结果表明,在空化喷嘴的圆柱段存在速度最大值,射流进入圆柱段后产生明显的负压,与周围介质发生强烈的空化作用,有利于空化气泡的产生。在特定参数下(圆柱段直径d=1mm、圆柱段长度S=3mm、扩散段长度L=8mm、出口扩散角=30°),角形喷嘴的空化效果优于风琴管形喷嘴。     

天然气汽车催化转化器流场的数值模拟

对天然气汽车尾气催化转化器的流场进行了稳态流动的数值模拟.模拟结果表明:气体从催化器进气管进入扩张管流动会发生分离,而气体的流动在排气锥管收敛得很好;气体的流动分布在很大程度上依靠催化器扩张管角度;催化器载体中有明显的压降;覆盖在中心孔道表面的贵金属催化剂比边缘区域消耗得快.     

微通道内气体流动参数化数值模拟

基于ANSYS Fluent软件,对微通道内气体在不同压力驱动下的流动做参数化数值模拟分析,得出不同克努森数(Kn)的通道出口截面速度分布图和质量流率,并将仿真结果和理论研究进行比较,分析微通道内气体流动特性与宏观流动的异同,研究稀薄气体效应.模拟结果表明:在微通道中,连续介质假设失效;当微系统特征尺度很小或者工作压力很小时,微通道内的气体具有较大的Kn,出现明显的稀薄气体效应;Kn越大,稀薄气体效应越强烈;稀薄气体效应导致固壁边界的滑移速度和质量流率变大.     

复杂地形条件下大气风场的三维数值模拟研究

基于k-ε湍流模型建立了大气风场的数学模型,本文计算了不同粗糙度复杂地形下风场,模拟结果给出了不同环境风速条件风场的速度等值线,粗糙度为0.1 m的地形的气流输运能力要大于粗糙度为1.0 m地形,这为下一步研究污染物的迁移扩散打下了基础.     

液-液旋流分离管湍流流场的数值模拟

采用雷诺应力模型(RSM)对一种旋流管内部的单相流动进行了湍流数值模拟。通过数值计算得到了旋流管内部流动的速度矢量分布情况,计算结果与经典文献资料吻合,证明了模型的正确,为进一步数值模拟打下了基础。