汽液两相系统非平衡相变过程的定压比热研究

以空气-水蒸气-水组成的两相流混合物为例,应用两相流及热物理理论,推导了有相变的两相流系统非平衡过程的定压比热计算式,并应用相应的数值模型进行计算,同时与平衡相变过程的结果进行了比较.计算结果表明,在蒸发过程中,初始的流场温度越高,颗粒半径越小,质量分数越大,定压比热变化得越快.比较平衡过程的定压比热,在每一时刻,平衡过程的值要高于非平衡过程.     

潜热型功能热流体层流强化传热分析新模型

建立了分析潜热型功能热流体的层流强化传热的新模型. 该模型的主要特征是: (1) 应用新推导的潜热型功能热流体定压比热公式; (2) 考虑了真实的相变传热过程, 即, 相变微胶囊与单相工作流体间换热, 壁面与两相混合流体间换热; (3) 用新建立的轴对称双倒易边界元和有限差分联合的数值方法求解该数理方程. 新模型的可靠性用已有实验结果进行了验证. 得到了一些新的物理结果, 如定压比热在空间与时间随相变传热过程变化的特征, 捕获了相变界面随时间推进图像, 等等, 还数值分析了影响潜热型功能热流体强化传热的几个主要物理因数, 对该功能流体强化传热机理获得了一些新认识.     

非平衡定态下吸附过程的热力学分析

从非平衡热力学理论出发,指出了有温差存在的非平衡吸附定态存在的可能性和所处的状态,分析得到了非平衡定态下体相和吸附相间的化学势差,并求出了相应的吸附熵和等量吸附热.计算了定态下吸附熵和等量吸附热相对平衡态的改变量,并与用平衡热力学计算得到的结果进行了比较.结果表明用非平衡热力学计算得到的吸附熵和等量吸附热的改变量不仅与温差还与吸附状态有关,而平衡热力学的结果只是温差的函数,与吸附状态无关.主要原因是把吸附和气体温度变化看作一个整体,考虑了两者间的影响,而平衡热力学方法则把定态吸附过程看作两个不相干的过程,未考虑两者间的影响.     

VO2相变机制和掺杂改性的第一性原理研究进展

VO₂具有“半导体-金属”相变特性,能够随温度变化自动调节近红外光透射率和电阻,在热开关、光学传感器、信息存储器件、智能窗以及非制冷焦平面探测器等方面具有广阔的应用前景,是一种备受关注的热致变色材料。首先,通过简要介绍VO2基本物理化学性质及相变原理的实验研究现状,着重综述了基于密度泛函理论的第一性原理计算在VO2相变机制研究中的最新进展,即VO₂的相变是Peierls和Mott相变机理相耦合的结果。其次,围绕能带调控,分金属元素和非金属元素两大类,综述了第一性原理计算在VO2掺杂改性中的应用。再次,指出了当前研究中存在的争议,即不同第一性原理计算方法得到的计算结果差别很大,因此在选择计算方法的类型时需要十分谨慎。最后展望了第一性原理计算在VO2材料研究中的应用前景。     

非均匀热流下R245fa/R134a两相流型及换热特性

针对有机工质在非均匀热流边界条件下的气液相变问题,基于质量分数配比为0.7:0.3的非共沸工质R245fa/R134a,建立了非均匀热流下10 mm内径水平管内的两相流动沸腾换热实验系统.实验工况为质量通量175～373kg/(m~2s),热流密度9.95～47.57 kW/m~2.利用高速摄像仪和图像处理技术,对观察到的泡状流、塞状流、分层流和环状流4种流型进行了灰度值分析,并分别绘制了非均匀加热和均匀加热时的流型图.基于流型分析了干度、质量通量、热流密度和饱和温度对两相换热系数的影响,并将实验数据与4种现有关联式进行对比.结果表明,在相同的加热量下,相比于均匀加热条件,非均匀加热条件下流型由间歇流转变为环状流时的初始干度更低;换热系数在低干度区随干度变化较小,而在干度较高的环状流区域随干度增大而增大.此外,换热系数随质量通量、热流密度增大而增大,而饱和温度对对流沸腾区换热系数的影响不大,对核态沸腾区有一定影响.在非环状流区域4种换热关联式的预测能力都表现较差,而在环状流区域SunMishima关联式的预测精度相对最高.     

基于非结构化VOSET方法的沸腾传热

将非结构化VOSET方法推广至求解气液界面存在相变的流动传热问题.为准确计算界面两侧因相变导致的能量跳跃,给出了含界面非结构网格控制单元温度的计算方法,并对非界面网格温度场采用隐式求解以提高计算精度.为验证所构建相变模型的正确性,编写程序分别模拟了恒壁面过热度和恒热流密度两种边界条件下的水平表面膜态沸腾,计算结果与Klimenko经验关联式吻合良好.通过圆弧表面膜态沸腾问题,验证了本文基于带相变非结构VOSET方法对不规则区域沸腾相变问题的适用性.通过模拟近临界压力水的膜态沸腾问题,并与Berenson和Klimenko经验关联式对比,验证了本文方法对实际沸腾问题的适用性.     

考虑非弹性碰撞的低浓度固液两相流动理学模型

用修正的BGK模型模拟粒间非弹性碰撞效应, 用Fokker-Planck扩散算子描述湍流-颗粒作用, 建立了低浓度固液两相流颗粒相的模型动理学方程和宏观水动力学方程组. 运用 Chapman-Enskog迭代法获得动理学方程的二阶近似解, 建立了颗粒相脉动应力和脉动能传导通量的显式本构关系. 建立的动理学模型在颗粒近乎弹性条件下简化为已有的模型, 为固液两相流模拟提供了一个实用模型.     

垂直Bridgman法晶体生长中的非等温相变现象初探

将加扩展项的轴对称双倒易边界元方法拓展应用于数值模拟垂直Bridgman法生长HgCdTe及CdZnTe晶体过程中非等温相变传热传质问题, 印证了轴向溶质浓度的分区分布并且研究了拉晶速度对分区的影响, 同时分析了晶体生长过程中产生的一维瞬态非等温相变现象, 获得了由初始过渡区经稳定生长区, 最后到末端过渡区全过程的非等温相变数值结果. 进一步, 通过数值模拟捕获了拉晶速度为零时, 稳态情况下的二维轴对称相变界面位置和形状, 并得到了熔体和晶体温度场, 最后着重研究了瞬态拉晶过程中的二维轴对称非等温相变现象, 比较了其与等温相变的差异, 并揭示了不同拉晶速度对非等温相变现象的影响.     

路径积分分子动力学模拟在相变问题中的应用

依据玻恩-奥本海默近似,理论模拟分子与凝聚态体系材料的性质,需要人们对电子结构和原子核运动两个层面的内容都进行尽量准确描述.目前,电子结构的计算已相对成熟,很多情况下密度泛函理论、传统量化或量子蒙特卡洛方法都能在量子力学的层面给出相当精准的结果;但就原子核运动的描述而言,绝大部分理论方法却还依赖于经典力学.越来越多的实验和理论工作表明,在很多材料的相变过程中,原子核的量子属性可能对相变行为产生重要的影响.将路径积分分子动力学方法与两相法、自由能计算等分子模拟方法结合,可以有效地处理相变问题中的核量子效应,进而对材料的相变行为进行准确地描述.本文将结合两个具体的例子,简要介绍近几年我们在该研究方向的一些工作进展.     

高温非平衡系统弛豫过程中光子的动力学行为

一、前言在高温完全电离非平衡动力学系统的弛豫过程中,光子起着十分重要的作用,它与电子相互作用几乎支配着整个系统的发展过程,因此,仔细地研究弛豫过程中光子的行为及其在趋向平衡过程中的作用显得十分重要。但是,要精确研究这种过程,需要求解相对论多群非线性积分-微分方程,工作量较大。为了简化问题,Cooper曾于1971年展开散射积分为Fokker-Planck(以下简称为F-P)形式,进行了数值研究。可是,精确计算光子康普顿散射能量变化的相     

低温凝聚InSb膜的相变、亚稳中间相的超导电性和时间效应

在亚稳非晶态到稳态结晶态的结构相变过程中,往往存在着一系列的亚稳中间相。在这种相变过程中,总是伴随着强烈的结晶点阵不稳定性的。因此,研究非晶-结晶相变过程,及其相变过程中所存在的亚稳中间相的超导电性,将是高温超导电性研究中的重要课题,并且它也应该能为超导电性与结     

非线性沸腾传热学-Ⅳ:相变涨落关联

处于平衡条件下系统会发生突变现象,处于非平衡条件下的系统也会发生突变现象,即非平衡相变.所谓非平衡相变,就是有些系统当它偏离平衡的程度超过一定范围时便会从一种宏观状态突然变成另一种宏观状态,它不仅表现在外表上突然变化,而且常常伴随着内在对称性和有序度的突然变化,这种对称性或有序度的变化会大大改变系统的物理     

低压金刚石生长的非平衡定态三元投影相图

自从1980年以来,激活的低压化学汽相淀积(CVD)金刚石生长已成为一个研究热点.但是过去十多年中,不少热力学的解释是不能令人满意的.Bachmann等把文献中的许多实验数据进行总结,并归纳为一个低压CVD金刚石气相生长的经验性三元碳-氢-氧(C-H-O)体系相图.此后虽然也有不少文章专门讨论这一相图,但至今尚无满意的解释.基于我们的非平衡热力学耦合模型,本文计算得到了一个三元C-H-O体系的非平衡定态投影相图,理论与实验结果相符.     

R600a水平管内两相流型转换及摩擦压降特性

R600a作为天然工质,因其环境友好性和出色的制冷能力在欧美国家得到大范围推广,被用作可替换制冷剂之一.R600a两相流型转换和摩擦压降的精确预测对制冷系统的设计和优化具有重要参考意义.针对这个问题,开展了在内径为6 mm的水平管中R600a的两相流型以及摩擦压降的实验研究,实验工况为饱和温度282.4~304 K,质量流率范围67~194 kg/(m~2 s).实验中利用高速摄像仪,观察到塞状流(plug flow)、层流波动流(stratified-wavy flow)、弹状流(slug flow)、环状流(annular flow)4种流型,并绘制流型图,将流型图与文献中经典的I/A流型转换曲线进行比较.在综合考虑了气体惯性力、液体的黏性力和液体的表面张力对流型转换的影响,引入修正后的韦伯数We~*,提出了新的流型转换曲线关联式.同时基于环状流和非环状流的流型划分,对摩擦压降分区变化进行针对性的讨论,发现摩擦压降在不同的流型区呈现出不同的变化规律.将摩擦压降实验值与9种摩擦压降关联式进行对比,结果显示Gr?nnerud关联式和Muller-Steinhagen Heck关联式分别能够较好预测非环状流和环状流的两相摩擦压降.     

空化泡内外质量交换的唯象模型

空化泡内外的质量交换是一个多种交换方式共同作用的综合过程, 其中包括气体扩散、气液相变、化学反应等. 本文提出了一个描述空化泡内外质量交换的唯象模型, 它以空化泡内外压强差作为质量交换的驱动力. 与已有的具体物理模型相比, 具有形式简单、计算量小的特点. 联合Rayleigh-Plesset气泡动力学方程, 计算了质量交换动态平衡后的空化泡平衡半径. 结果表明, 平衡半径具有多重性. 另外计算了平衡半径与驱动声压的关系, 并研究了模型参数对其结果的影响. 最后, 对不同驱动声压下的硫酸中空化泡脉动进行了实验测量, 得到的平衡半径随声压变化的关系很好地支持了模型计算     

基于不可逆热力学的膜换湿过程研究

利用非平衡热力学理论研究了膜换湿过程的热质耦合现象, 建立了相应的物理数学模型, 求得了非平衡热力学模型中各特征参数的具体表达式, 分析了各特征参数与膜两侧温度和浓度的依变关系, 为传质通量和传热通量的分析计算奠定了基础. 探讨了膜两侧温差、浓度差以及膜平均温度对透膜通量及热流束的影响情况, 结果表明: 当膜平均温度相同时, 膜两侧浓度差越大或温差越小对应的透膜传质通量就越大; 当膜两侧的浓度差和温差相同且浓度差产生的质量流占主导地位时, 膜平均温度越高, 对应的透膜传质量也越大; 透膜质量流引起的吸附热占总热流的比值与膜两侧的温差、浓度差以及膜基准温度有关, 且膜两侧温差越小, 吸附热占总热流的比重就越大.     

复杂系统的热力学理论

现有的热力学理论在处理远离平衡的开放复杂系统方面遇到了前所未有的困难。本提出一个新的热力学原理：“一个远离平衡的开放复杂系统总是在寻找一种优化过程使得系统在给定的约束或代价下获得最大广义流J”的新热力学原理，在此基础上发展了开放系统的统计理论。分析了非平衡相变。阐述了复杂系统中由自然选择而导致的进化。最后从物理和数学上导出了耗散结构的形态即复杂系统的分形结构。试图为解决30年来分形机理的疑难和困惑提供借鉴。     

非均质泥石流固液两相运动特征探讨

非均质泥石流是一种固体颗粒级配宽、容重变化大、流速分布不均匀的典型的固液两相流, 广泛分布于我国的西部山区, 表现出独特的固液两相运动特征. 基于非均质泥石流固液两相分界粒径的概念, 以Darcy公式和质量守恒定律为理论基础, 分别推求非均质泥石流固液两相平均流速表达式. 在此基础上, 根据云南省小江流域蒋家沟泥石流模拟实验数据及实测资料, 揭示了非均质泥石流固液两相运动特征. 蒋家沟泥石流实验与实测资料计算分析结果表明, 蒋家沟泥石流以临界容重2.234 t/m³为界限, 当泥石流容重低于、等于和高于该临界值时, 分别出现液相流速大于、等于和小于固相流速的3种情况, 由此可以分别揭示稀性泥石流、均质泥石流和稠性泥石流3种不同类型泥石流的运动特征. 研究结果为构建非均质泥石流动力学奠定了基础, 并对泥石流防治工程规划设计和预测预报泥石流灾害具有重要的现实意义.     

基于相变过程的格子Boltzmann模型及应用

基于SC模型提出了一种新的描述气液相变过程的格子Boltzmann模型. 通过对单组分相变过程的模拟, 验证了该模型的正确性. 通过对vdW流体的模拟以及与Maxwell构建原理的对比, 发现相对于SC和Zhang模型, 新模型能够得到与理论解相近的结果, 计算产生的最大伪速度介于SC和Zhang模型之间, 但扩大了温度的变化范围, 提高了模型的最大分离密度比, 使得新模型计算更加稳定, 适用范围更加广泛. 根据工程热力学中的对比态原理, 以工程中常用氨和水两种工质为例, 利用新模型分别模拟不同状态方程控制下的相变过程, 并与实验值进行了比较, 结果表明P-R状态方程更加适合描述氨和水等物质的相变过程, 特别地, P-R状态方程模拟结果与氨的实验值更加接近, 结果具有重要工程意义.     

评哈肯的《信息与自组织》——一种研究复杂系统的宏观方法

70年代以来,在世界上出现了研究非平衡态相变的热潮.它冲破了学科之间的界限,在自然科学、工程技术到社会科学的广大领域中都取得了一定的研究和应用成果.从不同角度和观点研究非平衡系统的学派;如布鲁塞尔学派提出的耗散结构理论,哈肯学派提出的协同学,以及日本学者研究的“过渡过程”等,在不同学科领域中作出了大量的成绩.但纵观其研究方法,还基本上停留在从微观