19．6μm内径的微石英管内部流动与传热的实验研究

采用实验方法研究了去离子超纯水流过内径为19．6μm的微管过程中的流动与换热特性。通过测量蒸汽加热的微管进出口的压降以及温度,得到了微管内去离子水流动的摩擦系数和Nu数,并对结果进行了分析。研究结果表明,在粘性耗散效应以及双电层效应的综合影响下微管内的摩擦系数要高于Hagen—Poiseulle理论值;而由于受流体热物性变化以及共轭传热的影响,当Re数小于400时实验测得的Nu数要低于经典层流管流的理论值。     

多孔介质强迫对流传热中粘性耗散的影响

分析了多孔介质强迫流动传热中粘性耗散的特点,建立了考虑粘性耗散作用的平行平板间多孔介质强迫流动传热模型,并进行了数值计算．考察了雷诺数Ｒｅ、修正的埃克特数Ｅｃ′、板间距与颗粒直径比Ｒｈ以及不同截面位置ｘ／ｈ处的影响．计算结果表明,多孔介质中粘性耗散的作用远大于不填充多孔介质时的粘性耗散的作用,并随着Ｒｅ、Ｅｃ′、Ｒｈ及ｘ／ｈ的增大而增大,有可能大到不再容许忽略的程度     

微通道内流流场的数值模拟及Micro-PIV测量

采用数值模拟与实验研究方法对直管微通道内流流场进行了详细研究.实验测量借助Micro-PIV技术,采用3μm荧光示踪粒子、10倍显微物镜和14位灰阶CCD相机获取微尺度流场速度分布.利用Fluent数值计算软件,将微尺度通道壁面粗糙元抽象为多孔介质模型,采用realizable k-ε两方程模型,对边长为600μm和800μm的方形断面微尺度直通道分别在Re=100和Re=300条件下进行数值模拟,模拟结果与同工况下Micro-PIV实验测量结果进行对比,结果表明基于多孔介质模拟壁面粗糙元的realizable k-ε两方程模型能够良好地模拟微尺度管流流动,并且获得了多孔介质厚度采用微尺度通道的相对粗糙度折算,多孔介质的粘性阻力系数和惯性阻力系数由多孔介质区域内的流态及阻力计算的方法.     

微型喷管内气体流动的流量壅塞现象

基于MEMS微加工工艺,在硅片上加工出带有内部测压孔的微型喷管,其喉部宽度为20μm,深度为240μm,扩张比为1.7,采用实验研究和数值计算相结合的手段研究了微型喷管内气体的流动特性. 研究结果表明:保持进口压力不变,不断降低背压,当喉部马赫数达到0.8时,内部流动出现了质量流量壅塞现象. 此时对应的壅塞临界压比为0.650;同时发现,当进出口压差为48kPa和66kPa时,喉部下游扩张段出现了局部超声速环. 这些异于常规喷管流动特性的现象主要归因于微型喷管内较大的粘性耗散.     

微小型泵内粘性流动的试验与基础研究

为了对垂直转子微小型泵的内部粘性流动规律进行深入研究,根据偏置于两平板间的转子两端剪切力不平衡的原理,设计了一种偏置式垂直转子微小型泵,并利用粒子成像测速(PIV)技术对泵体内部的粘性流动进行了可视化量测。根据N-S方程对微小型泵的内部粘性流动进行了数值模拟计算。两种方法均得到了泵体内部的流线分布、泵体出口端面的平均速度和体积流量与Reynolds数的关系曲线。比较和分析结果表明:当Reynolds数小于100时,泵体出口端面的平均速度、体积流量与Reynolds数基本成正比关系;随着Reynolds数的减小,流体的粘性作用相对增大,垂直转子微小型泵可对流体进行更加有效的输送。     

定温加热下微石英管内部换热特征的实验研究

以蒸馏水为工质,流过内径分别为242μm,315μm和520μm石英管,采用饱和水蒸气来加热石英管,实现定温加热以研究石英管内部的换热．根据饱和水蒸气的压力来确定石英管外壁的温度值,实现了定温加热与温度测量的同步．实验得到了雷诺数RP在100-6000变化时的努谢尔特数Nu,并与经典的层流、过渡流及紊流换热准则方程式进行了对比．实验结果表明,在Re较低时,微石英管内部的Nu低于常规经典的换热准则方程式的解,但RP增加到16001900时,微石英管内的Nu与过渡流准则方程式的解基本一致;当RP增加到3500～5000时,微石英管内部换热的Nu达到常规尺度下的紊流换热方程式的解．     

电动微流体显微粒子图像测速误差修正方法

在电动微流体粒子图像测速技术中,示踪粒子的电泳运动是影响测量不确定度的主要因素之一．采用电流方法和粒子图像跟踪技术相结合,测量流体的平均电渗淌度和示踪粒子运动淌度,计算粒子的电泳淌度,据此对显微粒子图像测速结果进行修正．实验测量了直径为520nm的聚苯乙烯示踪粒子在20mmol／L硼砂缓冲液中的电泳淌度,对水力直径小于20μm的锥形微管道Micro-PIV测量流场进行了修正．实验结果表明,修正后的流场速度与数值计算结果一致,该方法可以较好地消除示踪粒子电泳运动对Micro-PIV测量结果的影响．     

偏置式垂直转子微小型泵内的黏性流动

为研究垂直转子微小型泵的内部黏性流动,根据偏置于两平板间的转子两端剪切力不平衡的原理,设计了一种偏置式垂直转子微小型泵,并利用粒子成像测速(PIV)技术对泵体内部的黏性流动进行了可视化量测。根据N-S方程对微小型泵的内部粘性流动进行了数值模拟计算。用这2种方法均得到了泵体内部的流线分布、泵体出口端面的平均速度和体积流量与Reynolds数的关系曲线。比较和分析结果表明:当Reynolds数小于100时,泵体出口端面的平均速度、体积流量与Reynolds数基本成正比关系;随着Reynolds数的减小,流体的黏性作用相对增大,垂直转子微小型泵可对流体进行更加有效的输送。     

损伤材料的热塑性本构关系及对柱壳破裂问题的应用

从应变等价原理和线性温升软化近似出发，得到了有关的材料参数的表达式．通过本构关系的内变量理论导出了一个含损伤和温度软化效应的增量型塑性本构方程．然后将所得到的本构方程应用于内部爆轰加载下钢管的破裂问题中，并给出了相应的计算流程．进行了具体的数值计算并分析了有关规律．计算结果和实验结果符合得比较好     

基于预处理的不可压缩N-S方程拟压缩数值算法研究

通过研究求解不可压缩Navier—Stokes方程的拟压缩方法与加速刚性双曲型方程时间推进的预处理技术,推导了一般曲线坐标系下带预处理的拟压缩Navier—Stokes方程特征系统,并结合有限差分法,建立了适用于不可压缩黏性流动计算的拟压缩快速算法．通过对不可压缩无黏圆柱绕流、平板层流流动、低Reynolds数定常圆柱绕流问题的数值模拟研究,得到了与相关理论与实验测试相吻合的结果,验证了所建立数值方法的快速可靠性．较系统地研究了预处理引入的参数和拟压缩因子的选择对收敛特性的影响．结果表明,Roe格式相对于二阶中心差分格式得到的结果更令人满意;对拟压缩Navier—Stokes方程进行预处理能有效提高数值计算的收敛速度;自适应的拟压缩因子取值能在很大程度上改善数值解的收敛特性,且不需要根据具体流动问题进行人工调节．最后将本文发展的数值方法用于低Reynolds数非定常圆柱绕流的数值模拟,所得结果亦和实验观测结果及其他文献的计算吻合很好．     

侵彻过程中装药摩擦点火数值模拟

为研究弹体侵彻过程中装药安全性,采用分步数值模拟方法,在计算弹体侵彻靶体过程的基础上再计算弹体内部装药响应.装药响应计算中采用反加靶体阻力与热力化耦合算法并考虑了装药的摩擦温升机制,计算得到了装药点火的临界弹体初速,与实验结果吻合较好.计算结果表明,弹体内壁与装药之间的摩擦是引起装药温升的重要因素,装药发生摩擦点火的部位接近于装药中部.计算结果可为侵彻弹体的装药结构设计提供依据,计算方法为侵彻过程中装药的响应和安全性分析提供技术支撑.     

对流换热条件下微钢管壁面轴向导热的实验研究

以蒸馏水和氮气为工质,流过内径为168μm外径为406μm的不锈钢微管.通过直接通电法对微钢管进行加热,并采用红外成像仪及专用放大镜头来测量微钢管外壁的温度场,获得了在雷诺数恒定、不同加热功率下微钢管外壁面温度场分布.经过图像处理及修正后,得到较为精确的沿壁面的温度分布,进而求得微管沿壁面的导热量.实验结果表明,对于液体流动的微管对流换热,计算管壁的表观换热系数时可以忽略管壁轴向导热的影响.而对于微钢管的气体流动换热,在自然对流边界条件下,管壁轴向导热量与总加热量之比达到2.1%.     

低Reynolds数下单排方柱绕流尾迹涡型的LBM模拟

针对工程中遇到的周期柱体绕流问题,采用格子Boltzmann方法(LBM)对低Reynolds数下单排周期排列方柱的定常绕流进行数值模拟,详细分析了柱体后面的尾迹涡型随着Reynolds数的变化情况,并通过对不同Reynolds数下尾迹涡型结构的分析,得到了二射流、三射流和四射流发生合并现象的临界Reynolds数,其中二射流出现合并的临界Reynolds数与文献的数值模拟结果一致,三射流和四射流出现合并的临界Reynolds数则偏大,但更接近实验结果。     

微细光滑管内可压缩流动换热特性的数值研究

微细通道内的可压缩流动换热特性研究是一个新兴的研究领域.利用数值方法讨论了压力功和粘性耗散对微细光滑管内可压缩流动换热特性的影响,得出以下结论: 微细管内Ec沿管长是变化的,仅依据入口处的Ec对压力功及粘性耗散的作用进行取舍是不确切的;等热流及等壁温换热条件下的计算结果显示,在入口Ma及长径比较大时,考虑压力功及粘性耗散时得出的Nu要小于常规尺度管的理论值,在等壁温情况下,甚至出现了热流方向发生变化的情况.     

壁湍流能谱局部相似性标度的实验研究

采用热线探针测量接近中等Reynolds数的壁湍流流向脉动速度，以Fourier谱分析为基础研究湍流谱中含能区、惯性子区和耗散区之间重叠区的标度特性．实验证实以前报道的高Reynolds数并非是产生-1谱的必要条件，即使在靠近中等Reynolds数时，只要满足高空间分辨率和近壁测量，-1谱标度就会存在；标度范围应以内尺度开始，外尺度结束．实验结果表明近壁含能涡的能谱具有局部相似性；在y＋〉130的对数律层存在-5／3谱重叠标度区；随着远离壁面，Reynolds数增大，惯性子区向低波数延伸；当k1η〉0．1时，对数律层湍流谱曲线重合，显示在黏性耗散作用下Komogorov标度区的湍流能分布具有相似性，呈现局部各向同性的特征．     

铝电解槽内金属循环的数值模拟

本文对铝电解槽内熔融金属在电磁力作用下的流场进行了研究,分别采用常湍流粘性系数模型和k-ε模型联立求解N-S方程,用SIMPLE方法,数值求解得到铝电槽内的金属流速、湍动能、湍动能耗散及湍流粘性系数的分布。计算结果与现场测定结果相吻合。     

低Reynolds数下单排方柱绕流尾迹涡型的LBM模拟

针对工程中遇到的周期柱体绕流问题,采用格子Boltzmann方法(LBM)对低Reynolds数下单排周期排列方柱的定常绕流进行数值模拟,详细分析了柱体后面的尾迹涡型随着Reynolds数的变化情况,并通过对不同Reynolds数下尾迹涡型结构的分析,得到了二射流、三射流和四射流发生合并现象的临界Reynolds数,其中二射流出现合并的临界Reynolds数与文献的数值模拟结果一致,三射流和四射流出现合并的临界Reynolds数则偏大,但更接近实验结果。     

两弹性接触粗糙低速滑动表面温升的分形模型

采用球形微凸体的赫兹接触理论和MB模型,对微接触点的稳态温升、瞬态温升进行了分析,得到了低速滑动区域内的分形区域实际接触面积温升概率分布密度的封闭形式表达式.分析结果说明:摩擦副表面粗糙度、最大弹性微接触点的面积、域扩展系数均随分形维数增加而减小,域分开系数随分形维数增加而线性增加.最大温升随分形维数增加而减小,总体上随实际接触面积增加而线性增加,还随分形粗糙度参数增加而增加.当温升增加时,受给定温升的微接触点数减小会导致实际接触面积的温升概率分布密度下降.考虑了各接触微凸体之间相互作用的瞬态温升效应,但计算表明在低速滑动区域可以不考虑其影响.     

低渗透储层中氮气的微尺度流动及其对渗流的影响

从气体在低渗透储层微米量级孔喉中的微尺度流动规律研究入手,探讨低渗透储层中气体的非线性渗流机理.实验研究了气体(N2)在内径为2.05～10.10μm微管中的流动规律.结果表明:气体在微管中的流动具有明显的微尺度效应,表现为实测流量大于经典流体力学理论预测流量;管径越小,流动压力越小,微尺度流动效应越强,实测流量与预测流量的偏离越显著.根据微管实验数据,结合毛管束模型,研究了气体微尺度流动效应对渗流的影响.结果表明:考虑孔喉中气体的微尺度流动效应后,低渗透多孔介质中气体的渗流具有非线性特征,表现为视渗透率随流动压力的减小而增加;多孔介质平均孔喉直径越小,视渗透率随压力的变化越明显.     

分形颗粒在低Reynolds数条件下传热特性

目前可用的单个颗粒传热计算公式是在假设颗粒为球形颗粒的基础上得到的,但实际颗粒与球体差异很大,其外形很不规则。但在涉及颗粒流的实际工业计算和相关数值模拟计算中,研究者们通常将实际颗粒近似看成球体,而能否简单采用这一球形假设,还有待进一步验证。该文通过自由漫步的方法生成了与实际颗粒很相似的分形颗粒模型,并运用分子运动论和气体扩散理论建立了分形颗粒在低Reynolds数条件下传热计算模型,研究了分形颗粒的传热特性。计算使用的颗粒直径范围为小于5μm。计算结果表明:分形颗粒在低Reynolds数条件下进行传热计算时,采用球形假设会产生很大误差,最大误差可达82%;分形颗粒的比表面积和分形维数对Nu有重要影响。