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.     

流体流动场协同原理及其在减阻中的应用

为了分析流体流动过程, 降低流动阻力, 提出了流动速度与速度梯度在整个流动区域内协同的概念, 认为流体在流动过程中所受的阻力不仅受流动速度和速度梯度的影响, 同时也取决于它们之间的协同程度. 在此基础上, 提出了流体流动过程中的最小机械能耗散原理, 认为在整个流动区域内, 流动速度与速度梯度的协同程度越低, 流体流动过程中的黏性耗散越小, 流体阻力也越小. 同时, 根据最小机械能耗散原理, 在一定约束条件下对黏性耗散函数求极值, 获得了流体流动场协同方程, 求解场协同方程获得了最佳流场, 使流体在流动过程中的黏性耗散取最小值, 流动阻力最低. 最后, 以并联管路的流量分配为例, 根据最小机械能耗散原理对速度分配器进行了优化设计, 降低流体在并联管路中的流动阻力.     

水平管内非共沸混合物R50/R170两相流摩擦压降实验

开展了非共沸混合物R50/R170在管内径为4 mm的水平管内两相流摩擦压降实验研究.实验测量的压力范围为1.5~2.5 MPa,质量流率范围为99~255 kg m~(-2)s~(-1),干度范围为0~0.9,R50/R170混合物的初始浓度组分比(摩尔分数)分别为0.27:0.73,0.54:0.46和0.7:0.3.分析了质量流率、饱和压力、干度和浓度组分对摩擦压降的影响,结果表明浓度组分对摩擦压降的影响主要是由气相密度差异造成的.将所获得的实验数据与20个经典两相流摩擦压降关联式进行对比分析,得到Friedel的关联式对本实验数据预测最好,其平均绝对相对偏差为19.26%,且有87.45%的数据点在±30%的平均相对偏差范围内.     

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/(m²s),热流密度9.95～47.57 kW/m².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Sun&Mishima关联式的预测精度相对最高.     

磁场-渗流场耦合作用下的铁磁流体多孔介质流动数值模拟

铁磁流体作为一种新型功能材料,由于同时具备磁性及流体性质被广泛应用于各个技术领域.本文从数值模拟理论上研究了利用磁场控制的铁磁流体驱油问题:针对外磁场作用下的铁磁流体多孔介质流动物理过程,将磁力项引入铁磁流体相运动方程从而耦合磁场-渗流场给出其流动方程,并采用全隐式有限体积法形成相应数值离散格式;通过二维均质填砂平板流动实验验证了模型和算法的正确性,在此基础上,对比了平面及纵向非均质多孔介质中注水及注铁磁流体的驱油效果,计算结果表明通过控制铁磁流体的驱替路径可以提高驱替波及范围继而提高采收率,为提高原油采收率提供了新的思路和方法.     

通道结构强化微通道流动沸腾流动与传热

开展了R134a/R245fa非共沸混合工质及其纯组分工质在不同通道结构的平行微通道内流动沸腾特性的探索性工作.提出了具有内部连通区域的分隔型微通道结构,重点探讨了通道结构对流动沸腾传热特性与压降特性的影响.研究结果表明,与连续型微通道相比,纯组分工质在分隔型微通道中的流动沸腾传热效果略有增强,但非共沸混合工质却略有减弱.无论纯组分工质还是非共沸混合工质,分隔型微通道内部连通区域的存在对于延迟传热恶化的出现、提高流动沸腾CHF均有所帮助.此外,分隔型微通道可以显著降低非共沸混合工质及其纯组分工质流动沸腾过程中的压降,且工质的液-气密度比越小,内部连通区域对压降的改善效果越明显.     

重力对两维液态泡沫点输入强制渗流的影响

液态泡沫由大量气泡密集堆积在微量表面活性剂溶液中形成, 具有高度有序的结构和独特的流变特性, 是典型的复杂系统, 与常见的固体泡沫和多孔介质截然不同. 影响液态泡沫结构和流变特性的惟一重要因素就是泡沫内部的微量液体. 这些微量液体受重力与毛细管力会在泡沫通道上(柏拉图通道和节点, 亦即Plateau border和vertex)发生渗流, 柏拉图通道和节点也往往同时发生几何拓扑变化, 释放表面能. 该自组织过程是由流体耗散趋于极小和泡沫表面能趋于极小两种机制的相互协调控制的. 重力会影响流体耗散趋于极小趋势的强弱, 进而造成不同的自组织过程, 影响泡沫内的渗流. 本文模拟了Hele-Shaw Cell内两维液态泡沫(大小为12 cm×14 cm×3 mm)在8种重力加速度 (从g = 9.8 m/s²到g = 0 m/s²)下点输入的强制渗流, 发现在竖直和水平方向的渗流波传播位置与时间的关系很好地符合幂函数形式, 指数分别为0.536+5.29×10^-3g和0.479-7.27×10^-3g, 在不同重力下两者之和接近常数1.015, 该结果将有助于进一步分析泡沫内部的协调机制.     

页岩微裂缝内气-水两相流动规律

气-水两相流动广泛存在于页岩气藏压裂液返排及页岩气生产阶段,直接决定页岩气藏压裂及开发效果.页岩微裂缝是储层流体运移的主要通道.然而由于物理实验尺度及精度的限制,准确模拟页岩微裂缝中的气-水两相流动存在巨大挑战.为探究页岩微裂缝中气-水两相流动规律,本文系统考虑了气-水两相流体多重微尺度效应,包括:(1)气相滑移;(2)水相滑移及边界层黏度变化;(3)气驱水条件下,存在沿壁面流动的水膜.建立气-水两相流体微尺度流动模型,采用侵入逾渗判断两相分布,求解真实页岩微裂缝内气-水相对渗透率,并验证模型的正确性.研究结果表明,微裂缝开度小于3μm时,微尺度效应影响不可忽略;微裂缝开度及水膜对气-水相对渗透率的影响均取决于各相流体所占流动空间的相对大小;气藏开采过程中压力降低,导致气相表观渗透率升高及微裂缝开度减小,均会造成气相相对渗透率减小;水膜的存在对气相流动能力造成影响的微裂缝开度界限为0.65μm.该研究揭示了页岩微裂缝内气-水两相流动规律,为评价页岩气井压裂及生产效果提供了理论基础.     

流动聚焦研究进展及其应用

流动聚焦(flow focusing)是一种毛细流动现象, 1998 年被正式提出. 其原理为从毛细管流出 的流体由另一种高速运动的流体驱动, 经小孔聚焦后形成稳定的锥形, 在锥的顶端产生一股微射 流穿过小孔, 射流因不稳定性破碎成单分散性的微滴. 该技术稳定、易操作、没有苛刻的环境条 件, 可以制备微米量级甚至数百纳米量级的液滴、气泡、颗粒和胶囊等微粒子, 在科技领域和工 程实际中都有重要的应用价值. 本文回顾了流动聚焦技术的研究进展, 包括实验、理论和数值模 拟, 并对其应用进行了简要评述, 最后对流动聚焦的发展趋势做出展望.     

中国微重力流体科学的空间实验研究

微重力流体物理是微重力科学的重要组成部分, 包括简单流体的许多新体系、气/液两相流动和传热以及复杂流体力学. 微重力流体物理除其本身学术和应用的重要意义外, 还与微重力燃烧学、空间生物技术和空间材料科学密切结合, 促进了交叉学科的发展. 利用我国返回式卫星和神舟飞船, 进行了一批微重力科学的空间实验, 使我国微重力科学迅速进展. 本文主要介绍近10年来我国微重力流体科学的空间实验研究和主要学术成果.     

微细窄通道内纳米线表面的过冷沸腾流动与传热特性

微/纳米结构表面对流动沸腾过程有着显著影响,被应用于高热流的设备散热中.为了进一步探究其物理规律,以去离子水为工质,配合高速摄像观测,研究了截面为0.5 mm×5 mm的矩形微细窄通道内纳米线表面的竖直流动过冷沸腾.一种TiC纳米线的直径约230 nm,高度约4μm;另一种直径约535 nm,高度约12μm.过冷沸腾的质量流量是200和300 kg/(m²s),过冷度为10 K,热流密度范围是20～200 kW/m².分析了不同工况下过冷沸腾的沸腾曲线、平均换热系数和两相流流型.研究发现, 4μm高度纳米线表面的两相换热系数更高,但高热流条件下传热恶化更早. 4μm高度纳米线表面形成了"形成拉长气泡——气泡上下游扩张——局部干涸——流体重新润湿"的周期性两相流型,而12μm高度纳米线表面的流型在高热流下仍以气泡聚合以及形成受限拉长气泡向下游扩张为主.     

回转筒颗粒表面流的分子动力学模拟和连续理论

在考虑颗粒非弹性接触、滑动摩擦和滚动摩擦基础上发展了分子动力学模拟的算法, 实现了中高速(Fr = 0.1~0.2)回转筒内颗粒流的离散模拟. 回转筒内颗粒流由表面活性层和下部柱塞流区组成, 颗粒在活性层的停留时间约为柱塞流区的1/3~1/2, 对称线上活性层和柱塞流区的厚度比为0.57~0.61, 因而推断颗粒流动处于Rolling-Cascading过渡模式. 对称线上MD模拟的速度分布与正电子放射性测量实验结果十分吻合. 在模拟和实验结果基础上发展了连续理论: 柱塞流区内颗粒运动并非完全随着筒壁刚体转动, 而是存在着塑性蠕变, 这种速度变化过程符合指数函数规律; 而活性层内颗粒流动则符合简单的Couette切变流动分布. 最后探讨了颗粒温度和颗粒相对浓度分布的内在机理.     

内蒙古大井锡多金属矿床流体成矿作用研究: 单个流体包裹体组分LA-ICP-MS分析证据

应用LA-ICP-MS分析方法进行大井矿床中心部位的锡铜矿体及黄岗梁矿床锡矿体萤石及石英中单个包裹体流体组分分析, 以包裹体流体中微量元素Rb/Sr, Sn/Cu等比值追踪大井矿床富铜及富锡流体的来源与演化. 研究结果表明大井矿床富铜流体Cu > Sn, Sr > Rb几至几十倍, 相对富集Na, 主要产出于萤石中, 流体可能来源于深源较基性岩浆. 富锡流体Sn > Cu, Rb > Sr几至几十倍, 相对富集K, 产出于石英及萤石中, 流体可能来源于浅源的花岗岩浆. 富锡与富铜两种流体在中低温-低盐度阶段强烈叠加富集成矿, 形成大井矿床中心部位锡铜富矿体, 解决了前人研究中难于解决的富锡、富铜流体成矿机理问题.     

毛乌素沙地固沙灌木树干茎流特征

通过对毛乌素沙地固沙灌木沙柳和籽蒿树干茎流的野外实验观测, 分析了冠层和降雨特征参数对树干茎流形成的影响, 确定了树干茎流量在降雨再分配中的比例. 结果表明: 沙柳和籽蒿的累计树干茎流量分别占降雨总量的7.6%和2.7%. 树干茎流量和降雨量之间存在显著线性正相关; 茎流百分数随降雨量的增加呈指数增长趋势. 在较小降雨量时, 茎流百分数随降雨量的增加较快. 超过一定降雨量范围时(沙柳3~5 mm, 籽蒿5~7 mm), 茎流百分数开始接近稳定. 通过逐步回归分析表明, 分枝较多, 树冠体积较大, 分枝与地面夹角较小的冠层结构有利于灌木树干茎流的形成. 树干茎流量、茎流百分数随最大10 min雨强(I₁₀)均呈指数增长趋势. 其中, 沙柳和籽蒿的茎流百分数分别在I₁₀<3.0 mm·h^-1和I10<2.0 mm·h^-1降雨条件下随雨强的增加较快, 之后出现稳定的趋势.     

南海东沙东北冷泉流体的来源和性质:来自烟囱状冷泉碳酸盐岩的证据

大陆边缘海底冷泉活动区往往赋存有大量的冷泉碳酸盐岩,冷泉碳酸盐岩的类型和地球化学特征记录了过去海底富甲烷冷泉流体活动的状况.相对于在海水-沉积物界面上生长的化学礁灰岩和碳酸盐结壳等冷泉碳酸盐岩类型,形成于海底以下流体通道周围的烟囱状冷泉碳酸盐岩能更忠实地反映过去海底冷泉流体的信息.本文对采集自南海东沙东北的高镁方解石质烟囱状冷泉碳酸盐岩进行了详细研究,在定量分析碳酸盐物相及其碳氧同位素组成的基础上,结合产出环境特征和年龄对其形成温度进行约束,利用高镁方解石-水体系氧同位素分馏方程计算沉淀流体的氧同位素组成,研究古富甲烷冷泉流体的来源与性质,并探讨其与海底天然气水合物藏之间潜在的成因联系.研究认为,南海东沙东北陆坡烟囱状冷泉碳酸盐岩的碳源自生物成因甲烷,它的形成与海底天然气水合物藏的破坏密切相关.古冷泉流体的δ18O值为（1.9‰±0.3‰）^{0.6‰±0.3‰}V-SMOW（Vienna standard mean ocean water）之间变化,平均1.4‰±0.3‰ V-SMOW.经估算,水合物分解释放出来的流体在冷泉流体中的贡献最高可达45.7%.分析认为,古海平面下降和陆缘海底峡谷的下切,以及海底滑坡等气候与环境变化因素是导致南海东北陆坡水合物藏曾经遭受破坏的主要原因.研究区广泛分布的烟囱状冷泉碳酸盐岩指示水合物分解释放的甲烷在渗漏出海底之前已经有相当一部分被硫酸盐-甲烷转换带附近的微生物捕获和消耗转化,最终以冷泉碳酸盐岩形式实现了永久封存.     

以氦-4为唯一工质的1.8 K复合制冷机及其应用验证

量子信息技术和深空探测等领域的蓬勃发展,对2 K以下温区高可靠、长寿命、小型轻量化、高制冷效率低温制冷机的需求日益迫切,高频脉冲管耦合Joule-Thomson(JT)的复合制冷循环是实现这一目标的重要手段.目前国际上以该循环获得2 K以下温区的成功实践,均是在脉冲管分系统使用氦-4而JT分系统使用氦-3作为循环工质的情况下获得的.氦-3在地球上存量稀少、价格高昂,是阻碍这一循环在更广范围内实用化的关键瓶颈.本文对以氦-4为唯一工质的四级高频脉冲管耦合JT的复合制冷循环开展了理论与实验研究,分析了基于该循环获取2 K以下温度的关键难点和可行性,从采用间隙密封的直流线性压缩机的低压压力和多级间壁式回热器的低压侧压降损失入手,理论预测出在40 kPa系统充气压力下可实现1.1 kPa的压缩机吸气压力和438.6 Pa的低压侧总压降,从而能获得1.54 kPa的饱和蒸气压,此时采用氦-4节流可实现1.78 K的制冷温度.同时,在氦-4超流态工况下,分析了小界面温差的Kapitza热导对冷头蒸发器内超流氦热传递的影响,并给出了在此基础上JT循环参数优化的限制条件.设计出的制冷机的无负荷温度经过...     

对流-扩散方程的改进指数离散法

其中(?)是待求函数,为温度或浓度等;t为时间,X为坐标;D为扩散常数而V为流体流动速度,皆为给定.对流-扩散方程属抛物型,而当V较大时又有双曲的特性.采用中心差分或伽辽金有限元离散时,当局部Peclet数:P_e=V·△χ/D之值超过2后,(?)的数值会发生跳动波形.因此,发展了一套“迎风”差分式有限元格式.Spalding等人提出了指数型插值函数的方法,据此编制的程序SIMPLE得到了广泛应用.然而这种离散方法尚有改进余地,本文对此予以讨论,认     

二氧化碳气体的流动及反应特性研究: 从微管到多孔介质

用5 μm微管、人造岩心及天然岩心研究了CO₂气体的流动特性及与岩心作用后对渗透率的影响规律. 结果表明, CO₂气体在微管中的流动速度明显比N₂快; CO₂在饱和水的岩心(含碳酸盐)中流动时, 其渗透率随着注入量的增加而增大, 表明CO₂的溶蚀作用导致了岩心孔径的增加, 用扫描电子显微镜(SEM)也验证了溶蚀扩孔作用. CO₂气体在微管中具有较高的流速是由于尺度效应和压缩效应的综合反映, 而其在水中溶解引起的界面层水分子扩散速度增大, 导致孔隙壁面的水膜厚度减小, 其水溶液流动的有效孔径增大. 上述两种结果表明, CO₂在驱油过程中具有良好的注入能力, 是低渗储层开发过程中能量补充的一种很好的驱替流体, 但也造成其在地层中窜流或散逸的可能性增大.     

垂直相分离冷凝管内气泡泄漏机理

提出相分离冷凝管在管内悬空布置微米级金属丝网,形成"气贴近管壁,液在中心"的流动结构,在管壁形成超薄液膜,显著提高管内冷凝换热系数.然而,相分离冷凝管内气泡向丝网中的泄漏,可能影响冷凝传热强化.为避免气泡泄漏,本文基于杨-拉普拉斯方程,通过考虑惯性力、黏性力及冷凝管内特有的脉动流等因素,提出相分离管内气泡泄漏的理论判别式,发现气泡泄漏主要取决于无量纲参数G*与We数;利用VOF方法发展了相分离结构中两相层流流动的数值模型.对气泡泄漏现象进行数值分析,结果表明,气泡泄漏出现在气泡顶端,与实验吻合良好;通过对比不同G*与We数下气泡运动规律,获得了气泡泄漏临界曲线,确定了气泡泄漏理论判别式中的待定参数,最终给出垂直相分离管内气泡泄漏临界判别表达式,为相分离冷凝管的设计及运行提供了理论依据.     

大地形强迫下背风涡旋的实验研究

利用转槽的实验装置, 基于相似定律, 研究了大气层结流体越过大地形时所激发的背风涡旋. 研究结果表明, 无量纲数中Froude数是最重要的参数. 在无旋转情况下, 在Froude数和层结适当时, 可以形成背风涡旋; 在旋转的情况下, 背风涡旋更明显和更易形成. 旋转的作用不仅能引发下坡流, 而且其生成的地转涡度能促使背风涡旋的形成. 在背风涡旋的形成机制上, 旋转的情况与无旋转情况是不同的. 对于非旋转的过山气流而言, 扰动涡度的倾斜项是产生背风涡旋的主要原因. 而对于旋转的过山气流而言, b 效应及扰动速度的水平辐合是产生背风涡旋的更重要原因.