求解滑移流区外掠圆柱体气流流动与传热特性的数值模型

为了更精确地求解滑移流区稀薄气体外掠圆柱体流动与传热问题,基于有限容积法的ANSYS FLUENT平台提出了一种滑移边界修正的数值模型,该模型考虑了完整的一阶速度滑移和温度跳跃,其中一阶速度滑移包括了轴向温度引起的热蠕动影响和壁面曲率影响。将模型计算值与实验数据进行了充分对比,结果表明:当气体流动处于连续流区时,滑移边界修正模型与无滑移边界直接模拟计算误差很小;当气体流态处于滑移流区时,采用滑移边界修正模型可实现对该流态气体流动与传热的精确预示(相对误差在±2.5%);稀薄效应对低压气体外掠圆柱体的流动特性影响显著,随着克努森数增加,最大无量纲滑移速度呈线性增加,而最大表面摩擦系数呈线性降低。本文方法可广泛应用于工程之中,以探索低压气体的换热机理,为研究稀薄气体滑移流区流动与传热问题提供了一种有效的数值计算方法。     

求解滑移流区外掠圆柱体气流流动与传热特性的数值模型

为了更精确地求解滑移流区稀薄气体外掠圆柱体流动与传热问题,基于有限容积法的ANSYS FLUENT平台提出了一种滑移边界修正的数值模型,该模型考虑了完整的一阶速度滑移和温度跳跃,其中一阶速度滑移包括了轴向温度引起的热蠕动影响和壁面曲率影响。将模型计算值与实验数据进行了充分对比,结果表明:当气体流动处于连续流区时,滑移边界修正模型与无滑移边界直接模拟计算误差很小;当气体流态处于滑移流区时,采用滑移边界修正模型可实现对该流态气体流动与传热的精确预示(相对误差在±2.5%);稀薄效应对低压气体外掠圆柱体的流动特性影响显著,随着克努森数增加,最大无量纲滑移速度呈线性增加,而最大表面摩擦系数呈线性降低。本文方法可广泛应用于工程之中,以探索低压气体的换热机理,为研究稀薄气体滑移流区流动与传热问题提供了一种有效的数值计算方法。     

滑移区稀薄气体外掠圆柱体换热的数值分析

针对滑移流区稀薄气体横掠圆柱体的强制对流换热问题,采用气体分子动力学,对速度滑移与温度跳跃边界条件以热流密度项与壁面切应力项形式进行修正,并植入到Fluent软件中,实现滑移流区换热的数值模拟。对雷诺数Re范围为0.001~20、克努森数Kn范围为0.001~3的工况进行了数值计算,并与实验结果进行对比。结果表明:采用滑移边界修正的CFD模型,可实现对稀薄气体滑移流区流动换热的精确模拟;当气体流态处于连续流状态(Kn≤0.01)时,边界条件的变化对数值结果影响不大;当气体流态处于滑移流状态(Kn范围为0.01~0.1)时,采用提出的滑移边界修正模型将能得到更加准确的计算结果;并且采用该模型可以对部分过渡流区(0.1相似文献   

自由分子流区气体外掠平板/圆柱体流动与传热预测

针对自由分子流区稀薄气体外掠物体流动与传热问题,基于气体分子动理论方法和相对坐标系思想,推导了预测大气外掠平板和圆柱体传热与流动的无量纲表达式,讨论了雷诺数、马赫数和克努森数对阻力与传热性能的影响。结果表明:在马赫数一定时,随着克努森数不断增加,稀薄气体外掠物体换热能力逐渐减弱;在克努森数一定时,低马赫数(Ma0.1)对传热性能影响不大,但高马赫数(Ma0.1)对传热性能影响显著;随着马赫数增加,流动阻力先急剧下降,当到达超声速时逐渐变缓。该研究结果可为飞行器在自由分子流区流动与传热性能预测方面提供理论依据和技术支持。     

低真空压力下横掠圆柱体强制对流传热特性的实验研究

为了研究低真空状态下空气横掠圆柱体强制对流传热特性,搭建了速度、压力可控的变密度风洞实验台和数据采集系统,得出了压力变化对气体传热特性的影响规律。实验研究表明:气体横掠圆柱体强制对流传热随压力降低而衰减,压力越低,传热衰减越快;压力恒定时,传热随Re减小而减弱;气体流态属于连续流或滑移流时,压力变化对传热影响很小,可直接采用传统经验关联式计算,推荐Hilpert关联式;气体流态属于过渡流或自由分子流时,压力变化对传热影响很大,传统经验关联式已不再适用,需要修正。本实验不确定度小于4.5%,实验数据可靠,为工程实际应用提供了实验基础。     

边界条件对滑移区气体微槽流动和传热的影响

针对不同的边界条件,分析了微矩形槽道内不可压缩性气体在速度滑移和温度跳跃区的流动和换热过程。在分析模型中,假定矩形槽道底面定热流加热,其余3个面绝热。分别在一阶、二阶滑移及速度滑移和温度跳跃相互耦合的边界条件下给出了截面上速度和温度分布的数值解,讨论了阻力和换热特性,并与Arkilic等的实验结果进行了比较。结果表明：在相同的条件下,耦合的阻力系数最小,二阶边界次之,一阶边界最大;速度滑移和温度跳跃对换热系数具有相反的影响趋势;耦合模型更接近实验结果,其次为二阶滑移模型,一阶滑移模型的偏差最大;在不考虑可压缩性因素时,滑移边界条件的阶数对阻力系数的影响较大,对换热系统的影响不是十分明显。     

滑移边界下气膜厚度阶跃变化的阶形板间气体流动

为进一步研究微尺度下气膜厚度阶跃变化的阶形板间气体流动的相关物理特性,通过代入适用于任意克努森数的新滑移边界条件修正雷诺方程,应用有限体积法迭代求解了阶形板间沿气体流动方向的气膜压力和克努森数分布曲线,沿高度方向的气体流动速度分布曲线,不同环境克努森数下的气膜承载力随速度参数的变化曲线。结果表明:随着气膜间克努森数进入滑流区时,边界速度滑移效应对流体流动特性作用明显,当气膜间克努森数进入过渡区时,一阶滑移与新滑移边界条件间的数值结果产生明显偏差。可知相对于滑移系数固定的一阶滑移边界条件,滑移系数随气膜间克努森数改变而变化的新滑移边界条件,可以更好地描述高度存在阶跃变化即气膜间克努森数跨区域分布的微尺度气体流动。     

广义Maxwell速度滑移边界模型

针对存在挤压速度情形的近连续滑移流区微轴承内气体流动,基于气固界面Knudsen层内动量和能量通量的守恒,利用Grad13矩近似的速度分布函数,详细推导广义Maxwell速度滑移边界模型,给出了其与典型Maxwell速度滑移边界的差别.研究表明在不考虑壁面温度梯度和挤压速度影响时,所得到的广义Maxwell速度滑移边界模型与典型Maxwell速度滑移模型是一致的;通过在微尺度气体轴承流动控制方程应用,获得一套适于气体轴承内流动气固表面速度滑移边界数学模型.     

二维微槽道内的流动模拟

直接模拟蒙特卡罗方法(DSMC)通过计算机跟踪仿真分子的运动,求解稀薄气体流动规律.选用硬球模型模拟仿真分子间的碰撞,编写DSMC的计算程序,模拟处于滑流和过渡流动领域的二维微槽道内气体流动.结果表明,气体流动在边界附近出现速度滑移和温度跳跃.计算结果和理论值相吻合.     

身矩形槽道内的气体滑移流动和传热分析

分析了微矩形槽道内的不可气体在速度滑移和温度跳跃区的流动和传热过程。在分析模型中,假定矩形槽道底面定热流加热,其余三面绝热,流动和换热均匀为充分发展,且处于滑移流动区。给出了截面上速度分布和温度分布的分析解,讨论了阻力持性和换热特性,并与实验结果作了比较。二者的吻合程序表明,在一定的Knudsen数范围内,传统的Navier-Stokes方程和能量方程在考虑了速度滑移和温度跳跃影响后可以描述微矩形槽道内的气体流动和传热过程。     

不同分数导数下Maxwell杂化纳米流体流动和传热变化的灵敏度分析

考虑多孔介质中垂直拉伸板引起的分数阶Maxwell杂化纳米流体流动与传热,并引入二阶滑移边界条件。利用分数阶剪应力和分数阶Fourier定律构建边界层控制方程,采用有限差分结合L1算法进行数值求解。图示并详细讨论分数导数参数变化时,各物理参数对该流体流动和传热影响的灵敏度变化。结果表明,Darcy数和滑移参数对平均表面摩擦系数的影响,以及滑移参数对平均Nusselt数的影响,对速度分数导数比对温度分数导数更敏感。Darcy数对平均Nusselt数的影响对温度分数导数敏感,但几乎与速度分数导数无关。此外,一阶滑移参数比二阶滑移参数对流动和传热的影响更大。     

基于Boltzmann模型方程的平板Couette流计算

将基于Boltzmann模型方程的气体运动论统一算法推广应用于Couette槽道流计算,发展可用于槽道流问题的气体运动论边界条件数学模型及数值处理方法,研究建立模拟不同Knudsen数二维低速槽道流动问题的气体运动论数值算法,通过将近连续流到高稀薄区Couette剪切流计算结果与基于微观分子统计模拟的类DSMC值、基于宏观流体力学滑移Navier-Stokes解和线化Boltzmann近似解比较分析,显示出该文发展的介观Boltzmann简化速度分布函数方程数值算法对不同尺度槽道流问题具有很强的模拟能力。     

用直接模拟Monte Carlo方法计算微通道的流动与换热

应用直接模拟Monte Carlo(DSMC)方法模拟了平行板微通道中进口流速较低时的气体流动，应用质量守恒来处理进出口的压力边界,所模拟流动的Knudsen数的范围是0．05～1．00，涉及了滑移区、过渡区和自由区,计算了来流与平板等温以及平板时称加热两种工况，揭示了压缩性与稀薄性对所研究微平行板通道中流动与换热的影响．研究结果表明：①随着Knudsen数增大，沿程压力变化的非线性逐渐减弱，沿程速度变化与温度变化都趋于平缓，速度滑移量和温度跳跃量增大；②沿程温度变化在进出口处较为明显；③气体在微通道内的换热主要集中在进出口处，在通道中部换热很弱。     

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．     

微通道入口处的摩擦因子与努塞尔数

针对具有均匀入口速度与温度剖面的微通道中的气体流动与传热，证明了在速度滑移与温度跳跃区。通道入口处的摩擦因子与努塞尔数为有限值，它们的具体数值依赖于克努森数以及壁面和气体分子间的动量和能量交换的完善程度，而和微通道的横截面形状无关。     

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.     

耗散粒子动力学中实现滑移边界条件的数值方法

流体在固体表面的速度滑移对宏观流动的影响通常可以忽略,但在研究微尺度流动时,滑移速度可能对流动产生较大的影响.因此在研究微尺度流动时,需要考虑流动在边界上的滑移.耗散粒子动力学方法是模拟介观尺度下流体的动力学行为的计算方法,目前该方法一般使用无滑移的边界条件.提出一种在耗散粒子动力学中实现滑移边界条件的数值方法,得到了和Navier滑移边界条件的Poiseuille流精确解吻合的速度剖面.     

用于Poiseuille等微槽道流的Boltzmann模型方程算法研究

基于MEMS微尺度流动特点, 将气体运动论统一算法推广应用于Poiseuille等微槽道流动计算研究, 发展可用于微流动问题的气体运动论边界条件数学模型及数值处理方法, 以不同Knudsen数的Couette剪切流、热对流以及Poiseuille等短微槽道流为研究对象进行初步计算验证, 通过将本文计算结果分别与基于微观分子颗粒输运的类DSMC模拟值、基于宏观流体力学的滑移N-S解、基于气体分子动力论的BGK-Burnett数值解及线化Boltzmann近似分析解 等的比较分析, 显示出发展的连接宏观流体力学与微观分子动力学的介观Boltzmann简化速度分布函数方程数值算法能很好地揭示近连续滑移、过渡流区气体流动现象和微弱流动变化细节, 并能较好地适应于微槽道流动问题计算研究, 可望发展起新型的模拟MEMS微槽道流动和传热问题气体运动论数值计算方法.     

微细圆管中气体流动的稀薄效应和可压缩效应

采用有限差分法计算了微细圆管中的气体流动。当Knudsen数处于10^-3与10^-1之间时,气体的稀薄效应造成流动气体与管壁之间的相对滑移。计算结果详细描述了边界滑移对管摩擦系数及流量的影响。计算还表明,虽然在微细圆管的气体流动中马赫数很小,但由于同时也具有很低的雷诺数及很小的管径、管长比,气体压缩性对质量流量仍有明显影响。     

微槽道内气体流动的数值模拟

基于微尺度流动的滑移模型,建立了二维微槽道内气体流动的计算方法,并开发了计算程序.对相关文献中微槽道内的气体流动进行了计算,得到了压力降和速度分布剖面图,计算结果与试验结果吻合较好.在此基础上,进一步研究了克努森数Kn、切向动量调节系数σv及雷诺数Re对速度分布的影响.当Kn>0.001时,边界滑移速度随着Kn的增大而增大;σv的变化对滑移速度的影响十分显著,σv减小时,边界滑移速度增大;在滑流区范围内与低Re时,Re的变化对边界滑移速度的影响很小.