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。     

不同截面微通道中流动阻力特性

实验研究了微通道内去离子水的流动阻力特性,微通道当量直径范围De=0.210～1.069mm,雷诺数范围Re=102～104,截面形状分为矩形、半圆形及三角形.通过测量微通道沿程压降及出、入口局部压降随流量变化关系,获得了沿程阻力系数及局部阻力系数.结果表明:当截面形状相同时,摩擦阻力系数随着当量直径的减小而降低;当量...     

多元热流体吞吐水平井热参数和加热半径计算

多元热流体吞吐已成为海上稠油的主要热采方式。为优化注入参数,对水平井井筒沿程热力参数和加热半径进行预测。考虑井筒流动与油层渗流的耦合,建立水平段井筒中多元热流体流动和换热的数学模型。计算多元热流体水平段沿程压力、干度和加热半径分布,分析气体含量、注入速度等因素的影响。结果表明:在注入过程中,水平段沿程压力和蒸汽干度逐渐下降,加热半径呈先下降后上升的"U"型变化;保持其他条件不变,适当降低非凝结气体含量、增大注入流量,有助于扩大加热范围。     

正方形小通道内的冷凝换热数值模拟

采用VOF模型对制冷剂R134a在水平放置的边长为1 mm、长度50 mm正方形小通道内的凝结换热过程进行数值模拟计算,研究了入口质量流速、热流密度和冷量施加方式对小通道内冷凝换热的影响.结果表明:冷凝液最先出现在通道拐角处,随后在表面张力的作用下逐渐布满整个通道截面;沿程换热系数在入口处较大,然后沿流向急剧减小,最后趋于稳定;在恒定热流密度条件下,随着质量流速的增加,气液界面的剪切力逐渐增加,冷凝液膜随之变薄,从而导致换热系数变大;当入口质量流速恒定时,热流密度的改变对冷凝换热系数影响不明显;冷量均衡施加于通道边界比集中施加于某一边界液膜分布更均匀,更有利于冷凝换热.     

微通道截面形状对冷凝传热特性的影响

实验研究水蒸气在水力直径为1 mm的半圆形微通道内的冷凝传热特性,获得微通道冷凝传热系数随着质量流速的变化规律。运用计算流体力学(CFD)数值模拟方法,建立半圆形微通道物理模型,以实验数据验证数值方法的有效性。以甲烷作为相变介质,数值分析了气态甲烷在矩形、半圆形与三角形不同截面形状微通道内冷凝传热过程。结果表明:微通道的压降和传热系数随质量流速的增大而增大;质量流速一定时,相比矩形和半圆形微通道,三角形微通道的压降和冷凝传热系数更大。     

微型直接甲醇燃料电池流场板内多相流动分析

针对微型直接甲醇燃料电池,运用多孔介质理论建立了微型直接甲醇燃料电池流场板内含电化学反应的、毛细力驱动下的微通道内多相流动的传输模型;计算并分析了流场板内微通道尺寸、功率密度等重要参数对毛细力驱动下微通道中多相流动的传输特性的影响,以及流场板内微通道尺寸对电池性能的影响.结果表明:微通道内液相饱和度随通道宽度和高度的增加而增大,随节距和电池功率密度的增加而减小;电池的功率密度随微通道高度和宽度的增加而增大,随节距和长度的增加而减小.     

多段转弯连接回转通道的换热和压力分布研究

为了掌握涡轮叶片内的多段通道连接关系对回转通道壁面换热和沿程压力分布的影响,采用数值模拟方法研究了带肋单通道、回转通道模型的流动特性,通过瞬态液晶实验测量了回转通道壁面换热分布,揭示了多段通道连接关系对回转通道壁面换热的影响机理。实验结果表明:转弯连接使各段通道的速度分布不均;回转通道沿程压力系数逐渐减小;转弯连接使回转通道各段通道的换热分布不对称,沿流向的努赛尔数Nu逐渐减小;沿程展向平均Nu呈多波峰状分布,肋的扰流作用沿流向逐渐减弱,且两肋之间的高换热区沿流向逐渐向肋下游的背风面偏移;肋间区域的平均Nu沿流向逐渐减小;回转通道各段平均Nu随雷诺数的增加而增大,且增加幅度逐渐减小。     

水平旋转内消能泄水道空腔环流的能动量特性

研究了水平旋转内消能泄水道空腔环流特有的能动量特性.试验观测与分析结果表明:在水平洞的起始段,空腔环流的环向动能沿程急剧减小,进而转化为各占一定比例的环向与轴向动能,并伴随着大量的能量损失;环向的能动量在起始段较大,但在中间段与轴向的能动量比值已接近1,沿程的变化也较小;环向的动能与压能沿程变化相反并互相对应;环向的能量沿程变化规律决定了总能量的沿程变化规律;能量损失与常规的明流或有压泄水道相比大大增加,能量损失机理更为复杂.     

模拟孔喉构型变径通道中微气泡流动特性研究

为了了解微泡沫驱中微气泡在多孔介质中的渗流特性,设计制作了一种集成T型通道和变径通道的微流控芯片,采用基于显微成像的微流控系统观察了液相分别为去离子水和0.02%吐温20水溶液时,微气泡在变径通道内的流动特性,并采用CFD方法分析了微气泡融合、变形过程中速度和压力变化情况。研究结果表明,以去离子水为液相时,随着气体压力和液相流速的变化,微气泡在流经变径通道时出现融合和不融合两种行为;以0.02%吐温20水溶液为液相时,微气泡在流经变径通道时会依次通过;微气泡在“喉—孔”处融合时,表面张力促使微气泡变形导致周围流体速度波动较大,形成“涡流”;融合后的气泡再次进入“喉道”时,“孔道”内压力增大。本研究有助于进一步认识微泡沫驱的渗流特性及驱油机理。     

闭式循环振荡热管内气液两相流数值模拟

建立了考虑气液界面存在及其表面张力影响的较全面描述振荡热管内气液两相流动、传热传质和相变过程的气液两相流数理模型.模型中气液分布及界面运动采用VOF方法,表面张力影响采用CSF模型,对一典型闭式循环振荡热管起始工作阶段进行数值模拟.结果表明:所建立的模型成功模拟了振荡热管初始气液分布,启动阶段管内的泡状流、柱塞流、环状/半环状流和壁面回流等复杂气液流动流型和转变,以及起始循环阶段环状流和柱塞流在竖直管段内交替出现的现象.结果与相关定性实验观测非常一致,进而分析了启动阶段2个过渡管段内工质的流动及传热.分析表明在绝热段和冷凝段之间的过渡段,工质温度、压力和流型的变化明显,管内传热工况的转变主要发生在该区域内.     

微通道内纳米流体换热与压降特性

为研究微通道换热和压降特性的影响因素,在当量直径分别为0.923 1,1.333 3和2.000 0 mm的矩形微通道内,以0.1%和0.5%(体积分数)的Al2O3-H2O纳米流体为实验工质,进行无相变以及沸腾传热与流阻特性实验研究,分析雷诺数对努塞尔数和单相流动压降的影响。研究结果表明:增加纳米粒子体积分数对摩擦压降影响较小,而努塞尔数则得到较大提高;在2.0 mm宽槽道内,纳米流体的换热系数比水的换热系数高18%;而0.6 mm宽槽道的换热系数比2.0 mm宽槽道的换热系数提高了近2倍;随着槽道尺寸的减少,摩擦压降显著增大;当雷诺数为800时,0.6 mm和1.0 mm宽槽道摩擦压降分别是2.0 mm宽槽道摩擦压降的23.3倍和4.4倍;热流密度和质量流量增大都将导致摩擦压降增大。     

接触角滞后现象的理论分析

通过引入“滞后阻力”的概念,分别用力学方法和热力学方法导出固体表面上液滴平衡时接触角应满足的条件;定性地给出了表面湿润性和前进接触角与后退接触角同表面粗糙度的关系,分析了前进接触角和后退接触角的物理意义;由此给出了接触角滞后现象的一种合理解释．本的研究为汽液相变传热过程中的沸腾核化、临界热负荷、最小热流密度、珠状凝结等现象的深刻认识,开拓了新的思路,传统研究中对粗糙度影响的复杂定量化测量描述也可转化为用接触角单一参数表征和描述的简化方法．因此本的认识对研究沸腾和凝结传热有重要的现实意义．     

考虑边界滑移的微通道热沉传热传质性能研究

考虑固液界面边界滑移条件,研究了具有矩形、椭圆形和三角形这3种不同截面形状的微通道热沉的传热传质性能。研究发现,随着滑移长度的增加,流体阻力逐渐减小,对流传热系数逐渐增大。具有相同滑移长度和截面形状的微通道热沉的流体阻力和对流传热系数均随水力直径的增加而减小。在微通道截面面积相同的条件下,三角形微通道热沉的对流传热性能最差;对于椭圆形和矩形微通道热沉,当水力直径小于某一临界值时,矩形传热效果更优,而大于这一临界值时,椭圆形传热效果更好。     

双相钢板成形界面压力数值仿真及对板料表面损伤影响

借助于有限元软件建立弯曲过程接触界面压力的仿真计算模型,并用于计算双相钢与模具接触界面的压力.结果表明,在整个冲压行程中,板料上界面的压力分布可分为瞬态阶段和稳态阶段.在瞬态阶段,板料上界面压力的分布不连续并存在2个明显的峰值,其界面压力峰值显著高于稳态阶段;在稳态阶段,板料上界面压力的分布均匀连续,分为高压力区和低压力区,板料刚流入凹模圆角处的界面压力大于流出凹模圆角处的界面压力.钢板强度和成形压边力影响稳态阶段的界面压力和接触区域宽度,且呈现出正比例变化关系,从而对钢板表面的损伤带来不利影响.     

纳米通道内气泡核化的分子动力学模拟

为了探讨壁面浸润性与流体初始密度对气泡核化位置以及纳米气泡在凹槽内生长核化影响规律,本文采用分子动力学方法研究纳米结构微通道内液体氩的沸腾核化过程。通过改变固液势能的相互作用参数来调整壁面浸润性。结果表明：纳米凹槽壁面浸润性对气泡核化过程具有重要的影响。一方面,当固体表面的浸润性较弱时,凹槽内流体受排斥力的作用,原子排布比较稀疏,原子碰撞频率增大,局部活化能聚集,从而导致气泡在纳米凹槽内形成。另一方面,当壁面浸润性较强时,气泡会在微通道中央形成。此外,区别于均质浸润性纳米凹槽内气泡曲率半径及接触角保持不变的核化动力学行为,其在异质亲疏水匹配的纳米结构微通道内产生了显著的差异。当壁面浸润性维持不变,核化气泡的曲率半径随着流体初始密度增大而增大,与之相反,稳态接触角却随之减小。     

燕尾形轴向槽道热管的蒸发冷凝传热特性

建立了燕尾形轴向槽道热管蒸发和冷凝薄液膜传热特性理论模型,并对模型进行了数值求解.对蒸发薄液膜区液膜厚度、接触面温度和热流密度分布进行了分析,给出了汽液接触面蒸发/冷凝传热系数沿轴向的变化.研究表明:在蒸发薄液膜区域,薄液膜厚度沿槽壁方向呈线性增加;汽液接触面的温度在起点几乎和壁面温度相同,随着薄液膜厚度的增加而迅速降低;在薄液膜的起始段,热流密度快速达到最大值,随即迅速减小.蒸发段的蒸发传热系数大于冷凝段的冷凝传热系数,蒸发/冷凝传热系数在整个绝热段并不都为零.同时,通过实验验证了模型的正确性.     

变截面通道内超音速两相流升压过程的研究

通过对超音速汽液两相流在变截面通道中的升压过程的实验研究，得到了变截面通道内超音速汽液两相流的压力分布规律。实验结果表明，变截面通道中超音速汽液两相流的压力分布与出口压力、进水流量无关，而主要的影响因素是进水温度和进汽压力，同时超音速汽液两相流在变截面通道的渐缩部分的压力可以近似认为不变，凝结激波发生在变截面通道的喉部等，这些研究结果对该技术的进一步理论研究和应用均具有重要意义。     

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．     

板式换热器中蒸汽凝结换热特性

在板式换热器的蒸汽凝结换热试验台上进行了实验研究,获取蒸汽完全凝结和部分凝结两种典型工况下的换热和压降特性．且就板式换热器中蒸汽凝结过程的换热进行分析和处理,得到了一个在板片槽道中蒸汽凝结换热系数关联式．并推荐用于板式换热器的蒸汽凝结换热系数的计算．     

汽液两相流激波升压过程的实验研究

在不同的混合腔喉部直径，喷嘴前蒸汽压力，进水流量下，实验研究了汽液两相流激波升压装置的特性，实验结果表明，汽液两相流激波升压的最大无量纲升压系数为2．4；混合腔喉部趱戏增大，其升压效果下降；引射率及蒸汽压力增加，其无量纲升压系数都将增大，这些结论对汽液两相流激波升压装置的进一步研究及应用具有一定的意义。