矩形微槽道平板热管流动与传热特性可视化

以去离子水为实验工质,通过可视化研究方法,探索矩形微槽道平板热管内的流动传热机理.通过对多种工况下平板热管性能的对比,重点探讨了槽道结构和充液率对平板热管内相变现象与传热特性的影响.研究结果表明,不同槽道尺寸下,平板热管的热阻变化规律存在明显差异.低充液率下,随加热量增大, G-400热管热阻呈现先减小后增大的趋势.而在不同的充液率下, G-800热管热阻随加热量增大逐渐减小.在不同槽道尺寸和充液率下,蒸发端相变行为主要包括液膜蒸发和连续气泡生成两种方式.此外,冷凝传热不仅发生在气液界面处,还发生在槽道肋片顶面处,并形成稳定的周期现象.     

过渡流搅拌槽内固-液悬浮的直接数值模拟

采用格子玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method),研究了过渡流搅拌槽内颗粒悬浮过程的流体力学特征.模拟中搅拌槽为平底方槽,搅拌桨采用下压式45°四斜叶桨,搅拌雷诺数Re=1334,属于过渡流;颗粒体积分率最高达到8%.本模拟解析了包括颗粒周围和颗粒间流动的搅拌槽内整个流场,从而实现了在颗粒尺度上对颗粒-流体相互作用的研究.同时,本文也研究了体积分率、相位角对液相平均速度、液相湍流动能等流体力学特征值的影响规律.结果表明,随着搅拌槽内颗粒体积固含率的增加,液相平均速度和液相湍流动能均衰减.     

气液两相搅拌流内夹带液滴产生机理及粒径分布

对竖直管内气液两相搅拌流内夹带液滴产生机理,截面液相分布及夹带液滴粒径分布进行深入的实验研究,讨论了搅拌流内夹带液滴产生方式,揭示了夹带液滴产生方式对夹带液滴粒径大小影响规律,获得了搅拌流内液滴粒径分布特性.结果表明,不同的流动条件下,搅拌流内存在液桥破裂、袋式破碎和丝带式破碎3种夹带液滴产生方式.在弹状流向搅拌流转变时,液桥被气相来流冲破产生大液块;当气速较低时,夹带液滴以袋式破碎为主,夹带液滴粒径较大,气相场液滴浓度较高,液滴夹带效果显著;随着气速的增加,袋式破碎机理受到抑制,丝带式破碎机理作用逐渐显著并最终占主导地位,夹带液滴粒径较小,且气相场液滴浓度在搅拌流向环状流转变点附近达到最低.     

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.     

水泥生产过程中低温烟气用余热锅炉性能的全尺寸数值模拟

随着能源利用的日益紧张,工业余热的高效综合利用受到较多关注.作为一种典型余热回收利用装置,余热锅炉的应用日益广泛.鉴于余热锅炉容量大、结构复杂,相关的数值建模较困难.本文提出一种新的余热锅炉数值模拟方法,用于实现余热锅炉的全尺寸数值模拟.研究得到了余热锅炉用换热管束间的流场和温度场的分布特征,给出了余热锅炉的流动和传热特性.分析了烟气入口温度和流量对锅炉性能的影响,结果表明余热锅炉的综合性能随着入口烟气温度的升高而升高,随着烟气流量的增加而增加.     

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.     

液固两相离心泵内固体颗粒对液相湍流调制的测试方法及机理

固液两相离心泵的性能和效率受控于泵内的两相流动规律,理解泵内的两相流动规律和磨蚀机理,对于合理设计和延长泵的使用寿命具有重要意义.以离心泵内的固液两相流为研究对象,通过搭建无搅拌固液两相流PIV测试平台,消除高速搅拌对泵内流场的影响,改进颗粒-流体的两相循环方式,提高了实验的测试精度;通过POD方法分析低固相浓度时泵的性能改善的原因,探寻固体颗粒对泵内液相湍流的调制机理.进一步补充和完善固液两相流水动力学理论体系,为指导固液两相流高效的工业应用提供理论基础.     

Stockmayer流体气液相图的计算机模拟

提出粒子交换分子动力学模拟方法(particle exchange molecular dynamics, PEMD), 可以用来得到各种流体气液平衡相图. PEMD中有两个相互耦合的模拟箱, 具有恒定总粒子数、总体积, 粒子在两个模拟箱的转移由两箱粒子化学势之差驱动. 最终两个模拟箱拥有相同压强、温度及粒子化学势, 从而实现热力学平衡. 进而利用PEMD研究了极性Stockmayer流体的气液相平衡. 讨论了极性变化对相图的影响, 预测了临界点. 与Gibbs Ensemble Monte Carlo结果相比较, 发现两者符合得很好.     

用有限单元法研究曾侯乙编钟双音激发过程

曾侯乙编钟是我国宝贵的文物, 它具有敲击不同部位时会发出不同音调声音的双音特性. 从弹性波动理论基础出发, 采用有限单元数值方法, 模拟曾侯乙编钟具有扁圆截面特殊几何形状下, 以不同方式敲击时, 弹性波传播和自由振荡激发的过程. 通过对数值模拟激发振荡峰值分布结果的观察和对钟体的频谱分析, 认识曾侯乙编钟双音激发物理过程的特征.     

环膜液体射流破碎模式与气-液界面的关联性

利用线性不稳定性理论研究了环膜液体射流破碎模式与气-液界面的关联关系. 通过对色散方程的推导和数值求解, 研究了环膜液体射流内外气-液界面半径与两种特殊形式的射流-空心气体射流和实心液体射流之间的关系, 以及各种射流参数对环膜液体射流不稳定性的影响. 研究结果证明了类反对称模式主要与环膜射流的内气-液界面相关联, 而类对称模式主要与外气-液界面相关联. 因此, 虽然射流参数对类反对称模式和类对称模式不稳定性的作用性质相似, 但作用效果的强烈程度不同. 与液相相关的力同时作用于内、外两个气-液界面上, 因而对两种破碎模式的影响均较为显著; 而与内气体介质相关的力主要影响类反对称模式的不稳定性, 外气体介质相关的力主要影响类对称模式的不稳定性, 各种作用力在“穿透”射流液相部分后被大大衰减.     

液体爆炸分散过程中界面破碎的实验研究

设计了一种有上下平面约束的液体爆炸分散装置, 通过阴影照相获得气液界面破碎形态变化的时间序列, 并应用平面激光诱导荧光(PLIF)得到了径向膨胀液体环内诱导的荧光照片. 采用二维图像处理、分形几何和数值模拟相结合的方法, 较系统地分析了实验结果. 最后, 讨论了液体环及其气液界面运动数学模型建立中的问题.     

异丙醇-丙酮-氢气化学热泵放热反应器内丙酮催化加氢:颗粒内热质传递的影响

颗粒内传热传质对IAH-CHP固定床放热反应器性能具有重要影响.本文建立了管径和催化剂颗粒直径之比n=4的圆柱形放热反应器120°的三维局部模型,使用Fluent商业软件对模型内流场、组分和温度分布进行了模拟研究.重点研究了颗粒内传热传质特性对组分分布、温度分布、异丙醇产量及选择性的影响,并给出了最优的催化剂颗粒直径dp和催化剂内部微孔直径d0值.模拟结果表明,颗粒内温度分布较均匀,对反应影响不明显;大的dp值和小的d0值会显著增大催化剂颗粒内部的反应物浓度和反应速率梯度,降低催化剂的使用效率,降低异丙醇选择性.优化模拟结果说明,对于丙酮高温加氢放热反应,球形催化剂颗粒应选择催化剂颗粒直径1 mm,微孔直径10 nm.     

CMP中接触与流动关系的分析

分别考虑抛光垫基体和粗糙峰变形建立化学机械抛光(chemical mechanical polishing/planarization, CMP)的一维两层接触模型和抛光液流动模型, 分析了CMP中接触压力和流动的关系, 利用数值方法模拟了抛光垫基体和粗糙峰变形情况, 以及接触压力和流体压力的分布情况. 分析表明在晶片入口区附近形成了发散间隙, 从而抛光液流体出现负压, 在晶片边缘形成了高应力集中导致的过度抛光, 解释了CMP的这两个基本特征.     

典型烟气余热换热器气侧积灰特性

针对工业烟气中含尘量大,容易造成烟气换热器表面积灰的问题,对比研究了两种典型烟气余热换热器气侧的积灰特性.首先对比了两种翅片管换热器的流动特性,并结合离散相模型(DPM)模拟了飞灰颗粒的运动、碰撞和沉积过程;其次,针对模拟时间步长相对于实际时间较短的问题,提出了通过时间放大因子将数值模拟结果与时间换算到实际时间尺度的方法;然后,具体研究了实际时间尺度下两种H型翅片管表面的积灰特性,分析了入口速度和颗粒粒径的影响.结果显示,飞灰颗粒主要沉积于H型翅片管前侧的流动滞止区和管后的尾涡区;双H翅片管的积灰特性稍优于单H型翅片管;渐进污垢热阻随着入口速度和颗粒粒径的增大而迅速减小.     

二维Lennard-Jones系统热力学性质的Monte Carlo模拟

采用正则系统ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ模拟方法,研究了粒子间以Ｌｅｎｎａｒｄ－Ｊｏｎｅｓ１２－６势能相互作用的系统的热力学性质。模拟的状态点广泛地分布于相图中的气、注单相区和气／液相转变区,侧重于考察气／液相转变区的热力学性质。在气／液相转变区内,模拟计算得到的等温线具有类似ｖａｎｄｅｒＷａａｌｓ理论等温线的特性。     

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.     

南苏鲁超高压榴辉岩中罕见的原生高密度盐水溶液包裹体

在南苏鲁超高压变质带发现了原生高密度流体包裹体. 这种包裹体在超高压榴辉岩的石榴石中呈孤立和小群分布, 冷冻法确定包裹体的低共熔温度≤–52℃, 在重复冷冻-升温的特定阶段, 液相包裹体中出现气泡, 测得液-气均一温度≤–12.5℃, 由此得到流体成分属CaCl₂-NaCl-H₂O体系, 流体密度为1.27 g/cm³, 在相当于榴辉岩相峰期温度下的压力约为2.4 GPa, 接近超高压变质条件. 这类包裹体在榴辉岩的折返过程中与寄主矿物发生反应, 形成含水硅酸盐矿物, 并使其密度降低, 转变成气液多相包裹体.     

高水基安全阀流场的CFD仿真

利用FLUENT软件对高水基安全阀的流场进行数值模拟,得到了阀道的压力分布、速度分布和速度矢量分布图,压力和速度在截流口处都产生了突变,并对阀芯上的总压力和液动力进行计算,得出该阀所受稳态液动力的大小,所得结论为安全阀的结构设计与性能分析提供了依据.     

多相格子Boltzmann方法及其在相变传热中的应用

经过30余年的发展,格子Boltzmann方法已成为一种非常有效的数值模拟方法.该方法是介于微观分子动力学模拟方法和基于连续介质假设的宏观数值模拟方法之间的一种介观数值模拟方法.与传统数值模拟方法不同,格子Boltzmann方法基于气体动理论,具有清晰的物理背景和粒子图像,能够非常方便地从底层刻画流体内部的相互作用,因而对多相多组分等复杂流体系统的模拟具有很大优势.近年来,该方法被应用到沸腾及冷凝相变传热的研究中,体现出了一定的优势与特色.与VOF, Level Set等界面跟踪或界面捕捉方法相比,格子Boltzmann方法中的气液界面可以自动产生、演化与迁移,无须采用任何界面跟踪或界面捕捉技术.此外,在相变传热的研究中,气泡或液滴可以自动成核,无须布置种子气泡或种子液滴.本文总结了近些年多相格子Boltzmann方法的发展,并结合作者的研究工作,重点评述了伪势多相格子Boltzmann模型的研究进展及其在沸腾与冷凝相变传热中的应用.     

气固两相交叉射流相间传热的LBE-DEM模拟

采用格子波尔兹曼/离散元(LBE-DEM)耦合方法模拟气固两相交叉射流相间传热,重点考察了流体和颗粒之间的热量双向耦合及其对两相传热过程的影响.流场雷诺数Re=1000,在相同颗粒数目下选取了10,25,50三种Stokes数.研究分析了气固多相交叉射流中气相温度分布,颗粒群分布形态特性以及相间的双向耦合传热特性及其影响因素.研究发现交叉射流两相传热过程在撞击前期和后期分别受两相平均温差和两相换热系数的主导,而其主导因素的转换与颗粒动态响应特性有关.