纳米颗粒吸附微管道水流特性的格子Boltzmann方法模拟

纳米颗粒吸附可以显著降低微管道的水流阻力.针对纳米颗粒吸附毛细管流动试验特征,引入速度滑移边界条件,采用Lattice Boltzmann(LB)模型分别模拟了纳米颗粒吸附前后的毛细管流动状态.结果表明,柴油处理前,毛细管内的去离子水流动规律满足N-S方程;纳米颗粒吸附后,毛细管道壁面的润湿性发生改变,边界上产生了滑移速度,纳米颗粒吸附产生的理论滑移长度达到85 nm.数值模拟结果与试验数据、理论数据吻合较好,表明LB方法数值模拟具有相当精确的可预测性.     

用Lattice Boltzmann压力模型模拟纳米增注实验的流动参数

经岩心流动实验证实,岩心经纳米颗粒吸附法处理后,水流速度加快,岩心的水相渗透率有了大幅提高,平均达到82%。采用Forchheimer-Darcy模型描述岩心微孔道内的流体流动特征,建立了多孔介质表征体单元(REV)尺度上的不可压Lattice Boltzmann(LB)压力模型,编制了修正反弹格式的LB模拟程序,模拟了多块岩心的渗流效果,计算了纳米颗粒吸附法处理前、后的相关流动参数。数值模拟结果与实验结果吻合较好,说明LB压力模型适合模拟多孔介质的流动,在纳米增注渗流机制研究方面将有很好的应用前景。     

疏水纳米SiO2对微管道流动特性的影响

通过微管道流动试验,探讨疏水纳米SiO2的降压增注机理.在微尺度流动中,由于表面积/体积非常大,液固界面性质对流动有很大影响.在不同管壁界面条件下,用超纯水在内径约为25μm的毛细管内进行流动特性试验.结果表明:相同压力下,经过油基疏水纳米SiO2试剂处理后,水在微管中的流量有了较明显地提高;疏水纳米SiO2吸附能够使微管管壁具有超疏水性,从而产生水流滑移效应,达到减阻增流效果.     

纳米颗粒吸附法减阻技术效果的快速评价方法

针对目前纳米颗粒吸附法减阻技术效果评价周期长、成本高的不足,通过分析目前室内评价方法及总结纳米颗粒吸附法减阻技术机制研究的成果,提出以岩心吸附片电镜扫描和接触角测试为手段的纳米颗粒吸附法减阻技术效果快速评价方法。基于纳米边界层水流滑移减阻机制,应用岩心等径毛管组模型和Tolstoi提出的滑移长度与接触角的关系,从理论上简要阐述该方法的内在机制。结果表明:新方法能有效缩短评价周期,降低试验成本;快速评价方法的内在机制为纳米颗粒在岩心微通道壁面吸附使表面的接触角超过120°,产生较显著的滑移效应,从而达到减阻效果。     

Al2O3-H2O纳米流体管内流动特性数值模拟

采用数值模拟的方法研究了柱状管内Al_2O_3-H_2O纳米流体低流速的流动特性与换热机理.重点探究三维开口系稳态模型在不同体积分数的纳米颗粒情况下,对流动速度场和温度场的影响以及流动过程中的压降变化,并分析了Al_2O_3纳米颗粒对流动过程中的整体换热的影响.数值模拟结果表明:对于给定的入口流速,随着体积分数的增大,纳米流体各处温度、流动速度明显趋于一致,换热效果增强;压降梯度上升;纳米颗粒的布朗运动是影响换热与流动的主要因素,由于颗粒布朗运动的扰流与混合,各微元状态相互联系增强了流动均匀性.     

耗散粒子动力学中固壁模型对纳米颗粒吸附模拟的影响

耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics, DPD)方法是模拟介观流动的有力工具. 模拟中常用的FCC (face centered cubic) 固壁模型会在壁面附近产生虚假的流体密度波动. 作为纳米颗粒吸附问题的关键区域, 这个现象不可忽略. 采用随机壁面模型模拟纳米颗粒吸附问题, 并就壁面附近液体密度分布和纳米颗粒吸附的模拟与传统的FCC 壁面模型进行了比较.     

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.     

SST k-ω-kp两相湍流模型及其在湿蒸汽凝结流动数值模拟中的应用

首先，建立了湿蒸汽凝结流动的双流体模型，考虑了湿蒸汽两相流动中相间的速度滑移、耦合以及湍流扩散作用的影响．然后，针对蒸汽透平叶栅中流动的湍流特性，在单相湍流计算中数值模拟精度相对良好的两方程SST k-ω湍流模型基础上，参照颗粒湍能输运方程理论，推导建立了SST k-ω-kp湿蒸汽两相流动湍流模型，模型中引入了液相黏性、导热及扩散系数等拟流体概念．对二维叶栅中存在自发凝结的湿蒸汽流动进行的数值模拟表明：建立的数值模型表现良好，明显优于单流体模型，特别是吸力面的压力分布模拟精度有很大提高，具有较高的精确性和可靠性．由于实验数据的匮乏，数值模拟中发现的汽液两相的动力特性以及液相的参数分布有待于进一步的实验来验证．     

减阻纳米颗粒吸附岩心表面的去水湿作用机制与实验

疏水纳米颗粒吸附在岩心孔壁发生去水湿,形成超强疏水层,是纳米颗粒吸附法降压增注技术的关键。采用热力学理论研究疏水球状纳米颗粒在亲水表面吸附后产生去水湿的临界覆盖率,利用实际储层参数讨论纳米颗粒吸附表面诱发去水湿的主要因素及影响规律,分析去水湿的力学机制;开展纳米颗粒吸附岩心表面的去水湿模拟实验,研究岩心表面润湿性的变化和纳米颗粒的覆盖率。结果表明:岩心表面发生去润湿现象要求纳米颗粒覆盖率大于临界覆盖率;增大颗粒接触角和基底接触角,减小纳米颗粒粒径,降低液气压差,都可以降低临界覆盖率,有利于产生去水湿;疏水纳米颗粒吸附在岩心表面,使表面接触角从30°增加到127°,颗粒覆盖率达到74%,大于临界覆盖率72%;去水湿现象确实可以通过疏水纳米颗粒吸附诱发产生,验证了理论分析的准确性。     

金纳米颗粒烧结的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法研究了不同尺寸Au纳米颗粒在烧结过程中晶型转变及烧结颈长大机制.研究发现纳米颗粒的烧结颈生长主要分为两个阶段:初始烧结颈的快速形成阶段和烧结颈的稳定长大阶段.不同尺寸纳米颗粒烧结过程中烧结颈长大的主要机制不同:当颗粒尺寸为4 nm时,原子迁移主要受晶界(或位错)滑移、表面扩散和黏性流动控制;当尺寸在6nm左右时,原子迁移主要受晶界扩散、表面扩散和黏性流动控制;当颗粒尺寸为9 nm时,原子迁移主要受晶界扩散和表面扩散控制.烧结过程中Au颗粒的fcc结构会向无定形结构转变.此外,小尺寸的纳米颗粒在烧结过程中由于位错或晶界滑移、原子的黏性流动等因素会形成hcp结构.     

炭化微米木纤维滤芯柴油机排放纳米颗粒吸附特性

为了有效净化柴油机排放的纳米级碳烟颗粒(纳米颗粒),以炭化微米木纤维材料制备柴油机尾气微粒捕集器滤芯.分析炭化微米木纤维滤芯及柴油机排放颗粒物特性,并利用巨正则系综蒙特卡罗法(GCEMC)模拟纳米颗粒在炭化微米木纤维活性炭孔中的吸附特征,进而利用柴油机尾气微粒捕集器性能检测试验台对活性炭孔吸附纳米颗粒的蒙特卡罗模拟结果进行验证.结果表明:当柴油机微粒捕集器中尾气温度为470 K,捕集器前部压力由102.5 kPa过渡到125.0 kPa时,炭化微米木纤维滤芯吸附纳米粒子平均数密度的GCEMC模拟结果约为6.28×107cm-3,试验结果约为5.60×107cm-3,模拟结果和试验结果基本一致,该方法可以用来进行炭化微米木纤维滤芯吸附纳米颗粒过程的模拟研究.     

基于非关联流动法则的滑移线场及上限法研究

当前岩土材料的滑移线场理论及上限法中都广泛采用经典塑性理论中的关联流动法则,由此得出应力特征线与速度滑移线一致的结论。而试验得知,岩土材料并不服从关联流动法则,因而应力特征线与速度滑移线不可能重合。文章分析了基于关联流动法则的滑移线场及上限法中存在的问题,根据广义塑性理论推导了基于非关联流动法则的滑移线场及上限法,消除了现行滑移线场理论及上限法理论中的种种矛盾。     

水基纳米流体在竖直毛细管中的气液两相上升流流型特性

研究了在内径为1.6 mm的竖直玻璃毛细管圆管内的氮气-CuO水基纳米流体的上升两相流流型分布图.首先对毛细管内氮气-去离子水的两相流流型进行实验研究,并与常规管的半理论半经验公式进行了比较.然后在水中添加不同比容积的十二烷基苯磺酸钠(SDBS)和CuO纳米颗粒制备成纳米流体,对氮气-纳米流体在垂直毛细管内的流型图进行了测量.研究发现,和常规管相比,毛细管内气-水两相流各种流型的转化在较低的流速下就已产生.使用纳米流体后,毛细管内的气液流型转化在更低的流速下产生.纳米流体对两相流流型的影响主要是由于添加表面扩散剂SDBS和纳米颗粒后降低了溶液表面张力而产生的.纳米流体中的纳米颗粒和表面扩散剂浓度对流型图几乎无影响.     

绝热毛细管内制冷剂流动的非平衡性

建立了制冷剂在绝热毛细管内流动的两流体模型,模型中考虑了气液两相间的速度滑移和温度滑移.采用6种制冷剂的流量实验数据验证该模型,结果表明,90%的预测值与实验值偏差在±10%以内,并且能合理预测压力的沿程分布.应用该模型研究了制冷剂在绝热毛细管内自蒸发过程的非平衡特性.结果显示:气液两相间的速度滑移和温度滑移在整个两相区一直存在,但在绝大部分区域内,这种非平衡性并不显著;与不考虑非平衡性的平衡均相流模型相比,本文模型计算的毛细管流量平均偏高7.3%.     

基础承载力分析中土体流动机制的细观分析

介绍了颗粒体非连续变形分析方法的基本原理.采用自行研制的颗粒体非连续变形分析程序对基础(浅基础与深基础)极限承载力分析中的土体流动机制进行了细观上的数值模拟.并与模型试验以及经典滑移线法的结果进行了比较,数值模拟的结果再现了模型试验中的土体极限状态下的流动机制,为研究土体极限状态下的细观分析提供了一条途径.     

壁面滑移系数对多维度矩形喷动床气固流场影响的数值计算

基于计算流体力学(CFD)的方法,在欧拉-欧拉双流体模型框架下结合颗粒动理学理论,使用不同的颗粒壁面滑移系数对二维、准二维和三维不同维度的喷动床进行了数值计算。为了节约计算资源均采用轴(面)对称网格进行模拟,得到了不同维度喷动床的喷动过程云图、在不同滑移系数下颗粒体积分数云图、颗粒轴向速度轴向分布图。结果表明:相同边界条件下不同维度的喷动床喷动过程气泡生长速率有所差异。随着壁面滑移系数增大即颗粒壁面摩擦力增大,导致3个维度喷动床在中心处喷泉区的高度降低,同时颗粒轴向速度的轴向分布均也呈减小趋势;准二维床层较薄,导致颗粒在轴心处的运动还处于颗粒流体在壁面的速度边界层内,相对于二维和三维床层对壁面滑移系数更敏感。     

选煤流化床内气固流动的数值建模

为了对选煤流化床内低速浓相气固流动进行数值建模,采用Euler-Euler模型对选煤流化床内的气固流动进行了数值模拟。考虑了一系列子模型对流动结构的影响,通过分析各工况下的流动特征并将模拟结果与实验进行对比,最终确定了一套可应用于选煤流化床内浓相低速鼓泡流动行为的数值模型。结果表明,Syamlal气固曳力模型对选煤流化床流动特征的预测更合理,偏微分颗粒温度模型(PDE)能更准确地描述颗粒脉动行为。在浓相气固选煤流化床中,应该选择Dispersed k-ε模型来考虑气相的湍流行为,并采用部分滑移条件分析颗粒-壁面间的相互作用。     

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.     

旋涡流动中微液滴颗粒的滑移效应

本文利用改进的相间滑移矩方法,数值研究了兰金涡在加入微液滴颗粒后的演变,注重考察相间滑移效应的影响.相间滑移矩方法分别考虑气相与液滴弥散相的运动过程,通过颗粒分布函数各阶矩方程的源项来表达相间质量、动量与能量的传递,从而实现气液两相间的速度滑移效应的模拟.研究结果表明,当向兰金涡中注入液滴微粒后,兰金涡的结构会在液滴滑移效应的扰动下发生一系列的演化,注入微粒的半径不同,演化过程也不相同.当注入微粒的半径较小时,滑移效应较小,微粒会在滑移效应下做离心运动,最终在涡核外呈圆环状分布;当注入微粒的半径足够大时,滑移效应增强导致流动失稳,涡核内产生负涡量,在其作用下颗粒呈现"旋臂"结构而快速向外迁移.最后,本文考察了微液滴颗粒由于凝结增长对旋涡演化和滑移效应的影响,发现微液滴的凝结增长导致更多的气相动量转移到液滴相,使得微液滴与气相的滑移驰豫过程变短,微液滴的跟随性增强,从而使得微液滴与气相的平均滑移速度递减更快.     

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。