Rayleigh-Bénard热对流的动理论分析

利用基于分子动理论的直接模拟Monte Carlo(DSMC)方法,研究了Rayleigh-Bénard问题.计算中,上下平板表面温度之比固定为0.1.Kn=0.01时,随着Ra数的增大,大约在1700附近,流动从热传导状态转变为热对流状态,DSMC计算得到的下平板热流与Ra数的关系与经典实验和理论结果相符.Kn=0.05时,流动保持稳定的热传导状态,Ra数的增大并不能引发热对流现象。     

湍流中的多态现象

湍流是自然界最普遍的流动现象之一,被称为是经典力学中最后的难题之一.经典的湍流理论都假设湍流是各态遍历的,也就是说虽然瞬时流场的性质可能受初始流场影响很大,但是其统计平均量却是不依赖于初始流场的.各态遍历理论是湍流理论与建模的基础.然而,近些年一些实验和数值模拟的结果表明:部分湍流问题里存在多湍流态现象,即在同一组参数下可能存在不唯一的统计结果和流动结构.本文回顾已经报道过多态现象的Rayleigh-Bénard对流(Rayleigh-Bénardconvection,RBC)、 vonKármán流动(vonKármánflow,VKF)、Taylor-Couette流动(Taylor-Couette flow, TCF)、球形Couette流动(spherical Couette flow, SCF)、Taylor-Green驱动下的旋转湍流(rotating homogeneous turbulence with Taylor-Green forcing, TGF)以及作者研究的展向旋转平板Couette流动(rotating plane Couette flows, RPCF).在每个问题上,都将一一介绍流动问题的定义、多态现象出现的条件、形态等.在这些多湍流态问题里,有一些流动是由于不同的初始流场引起的不同流态(例如VKF,TCF,SCF,TGF和RPCF);而另一些流动则是在同一种初始条件下,随着时间的推移,流动会在不同流态之间自发切换(例如RBC).最后,还对湍流中的多态问题展开一些讨论和展望.     

螺旋通道内流体流动与传热特性研究进展

螺旋通道是提高流体传热及传质效率的重要结构,以其节省空间及易于加工的特点被广泛应用.而通道内流体的流动和传热特性作为评价螺旋通道的重要性质,对其实际应用具有重要的指导意义,成为近年来的研究热点.而研究重点主要集中在螺旋通道的结构参数和流动工质两个方面,本文对螺旋通道内流体流动与传热特性研究进行综述,总结了螺旋通道结构及流动工质对其性能的影响规律;具体分析了螺旋通道直径、管径、螺距、截面形状等结构参数以及流动工质种类、浓度等物性参数对其传热系数和流动阻力的影响;对比了层流及湍流状态下实验和数值模拟结论;为螺旋通道结构优化及工质选取提供了参考,并且展望了螺旋通道内流体流动及传热特性研究的发展趋势.     

调频输入正弦锁相环路的定性分析

正如文献[1]中指出:锁相技术作为一门新技术,近几年来在无线电通讯、雷达、空间技术等各方面都已得到广泛的应用。很多实际和理论工作者都是从事于二阶锁相环路的设计和理论分析。文献[2]对具有正切鉴相特性和调频输入锁相环路方程及其推广的Liénard方程作     

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.     

倾斜管中稠油流动边界层在水基泡沫作用下的减阻实验

以流体可视化环道实验装置为依托,组装成水基泡沫润滑减阻实验系统,实验研究了60°倾斜管中稠油(黏稠流体)流动边界层在水基泡沫作用下的流动情况,获得了不同油流量及泡沫流量下硅油-泡沫两相流的流型特征和压降规律,并建立了倾斜管路中水基泡沫-稠油中心环状流压降模型.实验结果表明:实验条件下能形成稳定的硅油-泡沫中心环状流,泡沫和油没有出现明显的分层现象;当0.4Qf/Qo(泡沫与硅油流量比)0.75时,水基泡沫能有效润滑并隔离油壁界面,并形成较为稳定均匀的泡沫环,进而实现稠油流动减阻的目的,最大减阻率达74%,并能有效增加25%左右的输量;建立并验证了倾斜管路中稠油-水基泡沫中心环状流的压降预测模型,当0.3Qf/Qo0.8时,预测值与实验值吻合度较高,相对偏差介于±10%,但超出0.3Qf/Qo0.8的范围,此模型将不适用.     

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.     

征订启事

Bejan最早指出了有限温差传热不可逆性与有限压降流体流动不可逆性之间的相似性，Radcenco作了进一步分析，最近，Bejan用内可逆热机的研究方法导出了流体流动作功装置最大功率输出时的效率，对线性流阻关系，其结论是正确的，而对非线性流阻关系，献的结果是不正确的。     

非线性流阻关系下流体流动输出功率装置的优化

Bejan最早指出了有限温差传热不可逆性与有限压降流体流动不可逆性之间的相似性,Radcenco作了进一步分析.最近,Bejan用内可逆热机的研究方法导出了流体流动作功装置最大功率输出时的效率.对线性流阻关系,其结论是正确的,而对非线性流阻关系,文献的结果是不正确的.Bejan考虑了一个不计摩擦效应的活塞、气缸     

Bingham流体阵性流动立面二维计算及分析:阵流速度、形态和床面阻力

通过立面二维计算,研究了Bingham流体阵性流动向充分发展状态过渡的过程,在较宽的参数范围内给出了充分发展状态下的无量纲阵流速度U*,以及它对倾角v,无量纲径流量Q*和黏度μ₀*的依赖关系.对一个典型算例,显示了阵性流的波动特征和充分发展状态阵性流所具有的急流形态,分析了重力和床面阻力的沿程分布,以及流场的速度分布.     

不同极性牛顿流体的微尺度流动

极性是影响流体微尺度流动的重要因素.本文研究了去离子水(强极性,极性10.2)和异丙醇(中等极性,极性4)在0.04~24.8 MPa/m,半径7.5,5,2.5,1?m微管中的流动规律.结果表明,微尺度下流体流动不再遵循泊肃叶定律,流速偏低,且表现出非线性特征.随着压力梯度升高,边界层厚度不断减小,造成有效流动半径不断增大,导致了流动的非线性.当压力梯度升高到一定程度,边界层厚度稳定,非线性流过渡为线性流.流体极性越强,流固相互作用对流动影响越大,消除黏度影响后,去离子水的边界层厚度大于异丙醇,非线性流动的压力梯度上限低于异丙醇.     

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.     

垂直相分离冷凝管内流型调控的数值研究

基于非能动相分离概念,开发了新型相分离冷凝管,形成了"气在管壁,液在中心"的分布模式.目前我们已经实验研究了相分离冷凝管对流型的调控作用,并定性分析了其内在机理为了深入研究这种新型结构内在的流型调控机理,基于跨尺度网格系统及VOF方法,对垂直相分离冷凝管内单个气弹的调控过程进行了数值研究.研究发现气弹从光管区域进入流型调控区域后,液膜厚度减少了近70%;气弹上升速度提高了1倍多,带动环隙区域内液体速度和速度梯度的大幅提高,从而起到减薄流动边界层的作用;气弹上升速度的大幅提高引起环隙区域和核心区域内流体质量和动量的交换,同时引起核心区域内流体的自维持脉动,促进了近壁区和主流区内液体的交混,以上3个因素将对提高设备冷凝换热性能起到积极的作用.     

深水天然气水合物及其管道输送技术

深水天然气水合物是具有广阔应用前景的非常规天然气资源.开采出的深水天然气水合物通过管道输送是实现水合物资源开发、利用的关键环节.输送过程中,管道内的压力、温度会不断发生变化,使得管道内出现伴随水合物生长或分解的复杂气液固三相流动.本文介绍了天然气水合物资源分布情况和开采方式,综述了近年来天然气水合物生长、分解动力学和含水合物颗粒的气液固多相流动方面的研究进展,分析了深水天然气水合物输送管道的安全性.指出未来在深水水合物输送方面应坚持实验与理论相结合的研究手段,着重开展以下三个方面的研究内容:第一是考虑管流作用下天然气、水、水合物三相界面之间的传热传质特点,以及气液流速、流型对传热传质的影响,建立多组分气体水合物生长、分解动力学模型;第二是综合考虑水合物颗粒的微观受力和流体对固相的携带能力,分析水合物颗粒的聚集特征、流动特性以及在管道中的沉积规律;第三是考虑水合物颗粒的生长、分解与管道内流速、流型和压降之间的耦合作用,建立伴随水合物颗粒生长、分解、聚集、沉积的气液固多相管输模型,定量描述水合物颗粒的发展过程和三相流动规律,为深水天然气水合物输送管道的设计、运行和管理提供理论与技术支撑.     

非牛顿幂律流体电渗微混合的数值模拟

微混合是芯片实验室中实现快速反应、分析和检测的一个重要前提.为了研究非牛顿幂律流体的微混合特性,应用有限元法对壁面存在异构zeta电势的平板微通道内流动进行了数值模拟.研究结果表明,幂律流体表观黏度的差异对动电现象具有不同的效果,对混合效率有显著的影响.流体的剪切变稀特性有增强动电现象的趋势,剪切变稠特性则相反.当流体幂律指数减小时,可以获得更好的混合效果.相对牛顿流体和膨胀性流体而言,假塑性流体采用电渗微混合具有更高的效率和实用性.通过对外加电场和zeta电势的调控可以改善混合性能,假塑性流体比牛顿流体和膨胀性流体对参数更敏感.     

润湿性对水在微管和岩芯中流动特性的影响

实验研究了去离子水在内径为14.9, 5.03, 2.05 μm的亲水和憎水微圆管中的流动特性. 结果表明, 去离子水在14.9 μm微管中的流动特性与经典Hagen-Poiseuille(H-P)方程相符; 但随着管径的减小, 去离子水在亲水和憎水微管中的流动特性均偏离经典理论, 其偏离程度受管壁润湿性的显著影响, 并随着雷诺数的减小而增加. 同时, 流体在岩芯中的渗流是其在无数微米量级孔喉中流动的宏观表现, 润湿性对孔喉中微尺度流动的影响将导致岩芯渗流特性的变化. 因此, 研究了盐水在不同润湿性岩芯中的流动, 发现润湿性对岩芯渗流和微尺度流动的影响规律相似.     

低温低雷诺数氮气对流换热特性实验

为了充分利用低温流体的冷量,需要设计高效率换热器,翅片式换热器因其具有换热比面积大、换热效率高、流体流动均匀等优点而被广泛采用.本文研究的用于低温液氮容器冷量回收的换热器为内翅式狭缝结构,流体介质为冷氮气,温度为90~200 K,气体流速为0.03~0.60 m/s,雷诺数范围为0~100,属于低温低雷诺数的流动状态.本文介绍了低雷诺数冷氮气在内翅式狭缝换热器中的流动换热特性试验研究结果,得到换热器内流体流动换热规律,可指导进行高效低温容器的设计.     

异重流运动基本方程

异重流为两种密度不同的流体相遇时,由于密度差异产生的流动。自然界中经常发生异重流,例如水库中的浑水异重流,多沙河流中的引航道或引水渠中发生的浑水异重流,河口区的盐水楔异重流及温排水异重流等。由于生产实际应用推动,在水利、地质、航运及环保等部门较早开展了异重流研究,取得了大量成果。尤其在泥沙运动力学研究领域,异重流一直是重要研究内容之一。人们利用异重流把高浓度浑水排泄出水库以延长水库寿命,采取各种措施减少大型水利枢纽上下游引航道的异重流淤积。     

微重力下的两相流动和传热及其研究方法

本文对微重力下的两相流动中的几个基本问题、两相流动的主要流型进行了一定的综述，并对微重力下的气液两相流动传热规律的研究方法进行了小结。     

深俯冲大陆板块折返过程中的流体活动

与洋壳俯冲过程中释放大量流体引起同俯冲岛弧岩浆作用、形成石英脉和变质矿床等现象相比, 陆壳俯冲过程以相对缺乏流体为特征. 但是在深俯冲陆壳的折返过程中, 含水矿物分解、原生包裹体爆裂和结构羟基出溶能够产生可观的含水流体, 成为碰撞造山带变质作用、岩浆作用乃至成矿作用研究的重要目标之一. 根据对大别-苏鲁造山带超高压变质岩中流体活动程度和总量的研究, 发现深俯冲陆壳折返过程中的流体活动具有如下效应: (1) 弥散式流体流动导致广泛的角闪岩相退变质; (2) 隧道式流体流动在榴辉岩内部形成高压石英脉; (3) 聚集式流体流动引起上覆岩石部分熔融, 在造山带内部形成同折返岩浆岩. 由超高压矿物降压释放羟基所形成的含水流体以低盐度为特征, 并且能够形成弥散式或隧道式流体流动. 因此, 研究超高压岩石折返过程中的流体活动, 不仅对于认识陆陆碰撞造山带的地球动力学过程, 而且对理解壳幔物质再循环及其有关的岩浆作用具有重要意义.