对流换热的物理机制及其控制:速度场与热流场的协同

从能量方程出发重新审视了对流换热的物理机制,把对流换热比拟有内热源的导热。热源强度不仅取决于流体的速度和流体的物性,而且取决于流速与热流矢量的协同。流动的存在可以强化换民可以并无实质贡献,甚至能减弱换热。这不仅可以对现有对流换热现象有更深入的理解,而且可发展一系列对流换热控制的新方法,举出了传统热强化和保温等应用方面的实例。     

含源汇非定常对流扩散问题紧致四阶差分格式

对流扩散乃流体流动与传热传质的基本过程。作为提高其数值模拟可靠性的根本途径,对流扩散方程的高精度数值方法愈受重视。其中紧致差分(compact difference)以其实用、省时和高整体精度等特性倍受青睐。Dennis四阶紧致格式,一维情况可推广至非定常问题,但处理较繁;更为遗憾地是其格式未能充分反应对流的“迎风”效应,不适用于对流占     

火积传递方程及其应用

火积是描述传热能力的物理量, 在热量传递过程中伴随火积的传递, 热量在传递过程中守恒,火积并不守恒, 因而火积必定有其独特的传递规律. 基于火积定义及其传递的思想, 导出了描述多组分黏性流动体系(包含热传递、对流、质量传递和化学反应过程)的火积传递方程, 它描述了该体系传热过程中火积的传递规律. 给出了火积流及其火积耗散的表达式, 并分析了其物理机制. 进而讨论了火积传递方程在稳态对流传热过程中优化传热的理论和方法, 从不同侧面应用稳态过程 传递方程得到了火积耗散极值原理和最小热阻原理, 给出了对单组分体系稳态对流传热和稳态导热过程应用的例证.     

在微重和超重环境下生长的InSb晶体的电学特性研究

一、引言 最近几年来利用空间微重力条件进行晶体生长引起了人们极大的兴趣。因为在空间微重力条件下,由重力导致的自然对流基本消失,液体中的浮力也消失了,由于物质密度不同引起的沉浮和分层消失,物质的混合和悬浮可以得到控制。这时扩散过程成为主要因素,液体     

二维热毛细振荡对流的临界Bond数

在空间,微重力水平为地面重力的10~(-3)—10~(-5),表面张力、相变等可能成为引起流体流动的重要原因。我们以悬浮区熔法晶体生长问题为背景,研究表面张力驱动的半浮区液桥的对流流动。当作用于液桥两端的外加温度差超过某一临界值时,液桥中的流场和温度场将发生振荡,直接影响到生产材料的质量。因此,研究热毛细振荡流的特征和产生机理,不仅在流体力学方面有重要的理论意义,而且在空间材料加工方面有很大的应用价值。     

两种不同结构的混合流体局部行波对流斑图

通过流体力学基本方程组的二维数值模拟,探讨了长高比?=20的矩形腔体中有较强Soret效应的混合流体对流中的局部行波的形成及含有缺陷的局部行波的动力学特性.当分离比?=?0.60时,在分叉曲线的鞍结分叉点附近相对Rayleigh数为r=1.926~2.074的范围内,出现了无缺陷局部行波.然后,随r逐渐增加,系统由无缺陷局部行波过渡到含有缺陷的局部行波并在r=2.075~2.224的范围内形成稳定的含有缺陷的局部行波.局部行波对流的宽度随r增加而增加,并在r=2.075处随着对流斑图的转变突然加宽.再随r增加,含有缺陷的局部行波失去稳定,对流控制整个腔体并演化成有缺陷的行波.有缺陷的局部行波是我们发现的新型对流结构.有缺陷的局部行波的形成依赖于局部行波的对流宽度.在具有缺陷的局部行波存在范围内,这种缺陷出现的周期随r增大而增加.     

一类对流扩散方程Cauchy问题的概率求解

在力学中广泛地存在对流—扩散问题,对流扩散方程具有重要作用.本文利用鞅的方法讨论了一类非齐次对流扩散方程Cauchy问题:     

青藏高原不同类型湖泊温度季节性变化及其分类

青藏高原广泛分布的湖泊是研究高原气候变化及其与全球气候系统相互关系的理想载体,但是目前对于高原湖泊现代过程研究仍然比较缺乏,在某种程度上制约了对过去气候环境变化记录的指标意义和湖泊生态系统演替的深入理解.本研究对青藏高原西部淡水湖泊班公错和中部咸水湖泊达则错开展了为期1年的湖水温度监测,讨论其湖水分层、翻转等水文物理过程.数据显示班公错属于典型的双季对流混合型湖泊(dimictic lake),而达则错属于半对流湖泊(meromictic lake),可能与达则错深部湖水盐度较高有关.利用湖泊模型Lake Analyzer进一步确认达则错不完全混合是由湖水盐度梯度所致.现代湖泊温度监测为高原湖泊分类提供有效数据,也为进一步深入研究过去气候变化和生态系统演替提供了水文物理学基础.     

漫话石柱群与瑞利贝纳尔对流

中国和北爱尔兰都有许多石柱群。作者从流体力学角度,探讨了石柱群的形成之谜,它是在火山喷发时,由于热分格对流而形成的。在流体力学中,最典型的热分格对流,是瑞利贝纳尔对流。     

导热和自然对流对石蜡定向熔化特性的影响

相变散热器在有效保障功率瞬变、间歇性工作电子器件安全运行方面具有极大潜力.针对现有相变散热器性能亟需进一步提升的问题,本文通过改变加热位置和添加泡沫铜,实验探究了石蜡在导热+自然对流、导热、导热增强+自然对流抑制以及导热增强4种作用条件下的定向熔化特性.研究发现,在导热和自然对流同时作用条件下,石蜡的温度经历缓慢上升、极速上升、缓慢波动和继续上升4个阶段,自然对流的作用可将相变散热器的有限保护时间从导热作用时的483 s延长至4400 s.虽然添加泡沫铜能降低石蜡内部的温度梯度,但会延长自然对流作用的起始时间、缩短作用时长以及削弱作用强度,导致自然对流的作用权重比从8.1降至0.72,有效保护时间仅提升80 s.因此,采用相变材料(phase change material, PCM)散热器冷却低热流密度的电子器件时,应优先强化工质熔化过程中的自然对流,随着热流密度的增加,再逐渐强化其导热性能.     

北京及周边地区5~8月红外云图亮温的统计学特征及其天气学意义

为了给北京地区的对流天气临近预报提供必要气候背景, 利用1997~2004年5~8月高分辨率的地球静止卫星逐时红外亮温资料对北京及周边地区的对流活动情况进行了统计分析, 并同使用常规地面观测资料统计的雷暴日数分布以及已有文献中基于闪电资料的分析结果进行了对比, 结果表明-52℃红外亮温的统计特征可以较好地展现该地区夏季对流活动时、空分布的基本气候特征, 特别是5, 6月份和7, 8月份亮温统计特征的显著差异表明, 影响北京及其周边地区的盛行对流系统有两大类: 一类是春末夏初发生在中纬度大陆变性极地气团中的对流, 它具有典型的热对流特征, 主要发生在午后到傍晚西部和北部的山区, 常伴随雷雨大风和冰雹天气; 另一类是盛夏季节发生在低纬度暖湿气团中的湿对流, 主要发生在华北平原和渤海周边地区, 并具有夜发性, 常伴随暴雨天气. 上述研究结果也显示出, 长时间的静止卫星逐时红外云图资料可以在一定程度上弥补地面观测资料和雷达资料在时、空覆盖率和完整性方面在对流天气气候学研究中的缺陷.     

多年冻土区碎石路堤冬季自然对流降温效应的演化机理

通过变渗透率无量纲控制方程的有限元数值方法分析了多年冻土区碎石路堤孔隙空气对流降温效应的发生机理和演化过程. 分析表明, 碎石路堤的对流降温效应是从两个边坡最先开始形成, 逐渐向路堤中间区域发展, 随着等温线偏离热传导温度分布位置的畸变程度不断加重, 碎石路堤冬季对流降温效果也不断增强. 分别给出了在边坡区域和路堤中间区域开始形成自然对流的最小临界Rayleigh数.分析了碎石路堤发生冬季自然对流降温效应的影响因素, 并从理论上明确了抛石护坡、碎石护道是确保多年冻土区路基稳定性的有效工程措施.     

西太平洋暖池上空对流对应的前期海温异常

对与热带西太平洋暖池上空的对流活动对应的前期信号分析结果表明,夏季暖池对流强度与前期暖池区域和赤道中东太平洋海温分别呈正、负相关,并与同期的菲律宾以西区域表面温度呈显著的负相关关系,对夏季不同月份暖池对流对应的海温进行了分析,表明6,7月的暖池对流存在暖池区和赤道中东太平洋的前期海温异常信号,尽管整个夏季平均的暖池对流存在前期海温异常信号,但只有初、仲帮（6,7月）的暖池对流存在前期海温异常信号,晚夏（8月）的暖池对流却没有,由此提出暖池、赤道中东太平洋和菲律宾以西之间在前期（前冬和夏季）和同期可能存在不同的相互作用系统。     

颗粒物质的隆起和对流的自放大动力学行为

本文先后进行两个旨在探索垂直激励下的颗粒物质表面隆起和内部对流的物理特性的实验 .结果表明隆起和对流具有明显的自放大特性 ,并得到了一个包含局域高度平方项和立方项的有效隆起力     

浓度对薄凹液层胶体悬浮液干燥花样形成的影响

研究了不同浓度下厚度较薄的凹液层胶体悬浮液干燥过程及花样, 利用照相机实时拍摄不同浓度下胶体悬浮液的干燥过程. 结果表明随着浓度的增加, 最终干燥花样圆环宽度增加, 而数目明显减少; 干燥过程分为5阶段, 其中包含两阶段马兰哥尼对流; 对流能够影响悬浮液内胶体颗粒的自组装和薄膜形貌, 第一阶段对流导致薄膜边缘厚、中心薄, 第二阶段对流伴随接触线的钉轧-滑移运动, 导致多重宽环花样形成.     

对流换热过程的广义热阻及其与(火积)耗散的关系

为了更加直观地分析与优化对流换热过程, 引入了多维传热系统的热流加权平均温度和热流加权平均温差的概念, 并定义热流加权平均温差与总热流的比值为传热过程的广义热阻, 提出了优化对流换热过程的最小热阻原理, 分析了对流换热过程的广义热阻与火积耗散之间的关系, 得出了最小热阻原理等价于火积耗散极值原理的结论. 以恒壁温条件下的二维方腔内对流换热过程为例, 研究了该过程的广义热阻, 讨论了最小热阻原理在对流换热过程分析与优化中的适用性.     

对流扩散方程Cauchy问题的概率求解

对流扩散方程在流体力学问题中具有重要作用.本文利用鞅的方法讨论了一类对流扩散方程Cauchy问题的概率求解.设{B_t,t≥0}是定义在d-维欧氏空间R~d中的标准Brown运动,b(x)=(b_1(x),…b_d(x)),c(x),(?)(x)是R~d上满足一定光滑性的函数.为简单起见,令.     

你问我答

问：往茶或咖啡中加奶时为什么需要搅动？ 答：一个原因是，乳脂肪球自身只能缓慢移动。如果靠牛奶自行扩散来混合饮品的话，你可能要等上几个世纪的时间。幸运的是，对流加快了这一过程。较凉、较稠的液体牛奶下沉使密度较小的热茶上浮，两种液体流动时也就混合了起来。     

双扩散对流条件下圆柱容器内温度场和浓度场分层现象

对圆柱容器内的双扩散对流进行了数值模拟, 结果给出了在双扩散对流情况下温度场和浓度场非水平分层的新特征: 在分层阶段, 温度场竖直壁面附近的等温线高于中心轴处, 浓度场则是中心轴附近的浓度等值线较高. 通过与由热浮升力和溶质浮升力单独引起的自然对流产生的分层现象进行对比, 阐述了产生这一非水平分层特征的机理. 同时进一步探讨分析了Le数以及浮升力比 等物性参数对这种温度场和浓度场非水平分层的影响. 结果表明, 随着Le数的增大(Le = 1~15), 一方面浓度场分层所涉及的区域越来越小, 另一方面在Le数较小的时候, 温度场的非水平度有所增加, 当Le数增大到一定程度后, 温度场的分层在容器上部有趋于水平的趋势; 当浮升力比N增大时(N = 0~2), 浓度场的非水平分层逐渐趋于水平; 温度场的非水平分层则进一步加剧.     

对流扩散方程的高精度算法

对流扩散方程是描述动量、涡量、热量和能量输运过程的基本运动微分方程。传统的算法是一阶或二阶精度的中心差分或迎风差分格式。许多人一直致力于设计高精度、计算过程稳定的有限差分格式。林群、吕涛提出了一种预示校正差分格式。本文在Poisson方程高精度算法的基础上构造出一种求解对流扩散方程新的有限差分格式。