表面粗糙度的分形特征及其对微通道内层流流动的影响

基于分形几何学,研究了表面粗糙度的分形特征.采用Weierstrass- Mandelbrot函数对多尺度自仿射的表面粗糙度进行了描述;建立了微通道内层流流动的三维模型并对表面粗糙度的影响进行了数值模拟,分析了雷诺数、相对粗糙度和分形维数对流动阻力特性的影响.研究结果表明,与常规尺度通道不同,粗糙微通道的Poiseuille数不再是常数,而是随雷诺数近似线性增加;相对粗糙度越大,流动产生的回流和分离所导致的流动压降越明显.在相同的相对粗糙度下,粗糙表面的分形维数越大,表面轮廓变化就越频繁,这也将导致流动阻 关键词： 粗糙度 层流阻力系数 微通道 分形     

两相方腔流的格子Boltzmann模拟

利用基于Shan-Chen多相模型的格子Boltzmann方法对方腔内上板拖动的两相流动问题开展较为系统的数值模拟,详细研究雷诺数(Re),毛细数(Ca)和壁面润湿性对流动以及混合特性的影响.结果表明:Re数、Ca数越大,方腔内两相流体的混合界面长度越大,混合效果越好.另外,壁面憎水程度越高,混合界面长度增加越快,然而对于强亲水壁面,混合界面长度最终趋于一常数.     

周期性渐扩-渐缩通道层流流动与换热特性研究

以渐扩-渐缩通道内周期性充分发展的层流流动与换热为研究对象,采用SIMPLE算法,适体坐标网格及Amano周期性边界条件的实施方案对之进行数值模拟,计算了在层流范围内不同Re数下的流动与换热规律.结果表明,在Re=100~1000范围内,与平行平板通道相比,阻力增强了(10~200)%,换热增强了(40~320)%.     

周期性波纹通道内换热与流动的数值研究

采用曲线坐标系下压力与速度耦合的SIMPLER算法,数值研究了一种紧凑换热器中波纹通道内周期性充分发展的层流流动与换热情况,流动Re数的范围为100~1100,Pr数为0.7.计算考察了不同波纹高度、波纹间距对流动与换热的影响,并对模型参数进行了性能评价.计算结果表明,整体Nu数及fRe数随着流动Re数的增加而增加.随着波纹高度的增加或波纹间距的减小,换热增强,特别是在高Re数下波纹高度的增加更加强化换热.最佳波纹高度和间距分别为1.15 mm和13 mm.     

微通道内椭球颗粒惯性聚焦行为数值研究

基于浸没边界-格子Boltzmann方法，对方形截面微通道内椭球颗粒的惯性迁移与旋转动力学行为进行数值研究，发现微通道内椭球颗粒的惯性迁移存在两种主要的运动状态：①翻转状态，即椭球颗粒前进过程中长轴始终在中心对称平面内；②滚动状态，即椭球颗粒前进过程中长轴始终垂直于中心对称平面.研究表明：在低Re数（Re=10）下颗粒以两种状态随流体迁移至平衡位置；在较大Re数（50≤Re≤200）下最终均以翻转状态随流体迁移，随Re数增加，平衡位置先逼近壁面后远离壁面.通过对不同运动状态下椭球颗粒周围的微观流场进行分析，提示该微观流动在颗粒惯性聚焦行为特征中有重要影响，并从流体和颗粒的惯性角度对颗粒不同运动状态的转换机理给出解释.     

粗糙表面形貌对微尺度流动换热的影响

基于分形几何定量描述了多尺度自仿射的粗糙表面形貌,建立了微通道内层流流动换热的理论模型并对表面形貌的影响进行了数值模拟.研究表明,自仿射分形维数直接反映了表面轮廓的不规则度,对于两个具有相同统计粗糙度的轮廓,可能存在不同的分形维数;与常规尺度通道不同,雷诺数、粗糙高度和粗糙表面分形维数都对微通道内层流流动换热有着重要影...     

向前台阶分离流的数值模拟

本文利用文献[1~3]中提出的差分格式,数值求解了二维向前台阶分离流的问题。着重研究了流体粘性和流体可压缩性对流动的影响。给出M=0.2,0.8,2.3,Re=720和M=2.3,Re=72,720,7220的流动结果。在M=0.8,Re=720流动中计算结果给出了台阶后有一个小分离泡的现象。所得M=2.3,Re=7220的计算结果和文献[5]中的实验结果进行了比较。     

管道中CaO颗粒吸收CO2的格子Boltzmann方法模拟

采用格子Boltzmann方法对多孔CaO颗粒与CO₂之间的气固反应过程进行模拟.主要研究在二维矩形截面管道中雷诺数(Re)和孔隙率对单个CaO颗粒吸收CO₂效率的影响.结果表明:增大Re会相应提高CaO颗粒吸收CO₂气体的效率.同时对于同一Re,CaO颗粒吸收CO₂气体的效率随其孔隙率呈非线性变化,这是由于不同孔隙率颗粒固体量和渗透率存在差别因而影响化学反应的速率.     

粗糙微管道内液体流动特性的实验研究

利用实验方法研究了粗糙度对矩形截面微管道内液体流动阻力特性的影响，采用微观粒子图像测速技术测量了粗糙微管道内的流场结构.实验结果表明：在层流状态下，3%—7%的相对粗糙度可以导致微管道内流动阻力的明显增加，在粗糙单元附近形成的压差阻力是导致流动阻力增加的主要原因.粗糙单元还会引起微管道内的流动失稳，导致粗糙微管道内层流向湍流的转捩提前. 关键词： 微管道 粗糙度 微观粒子图像测速 转捩     

粗糙微通道内气体流动的分子动力学研究

为研究粗糙度对微通道内气体流动及其边界滑移性质的影响,采用分子动力学模拟方法研究了氩气在0.1 μm铂通道内的流动,通道表面粗糙度由三角粗糙元阵列构成。气体流动的边界条件决定于2个准则数: A/λ和Kn=λ/L(其中A为壁面粗糙度、λ为气体分子的平均自由程、L为流动系统的尺度)。Maxwell基于Kn的滑移模型当A/λ<0.25时适用;A/λ<1时,气体流动存在边界速度滑移,体现出稀薄效应,A/λ≈1时为无滑移,A/λ>1时为等效负滑移.     

通道中串列旋转圆柱的格子Boltzmann-虚拟区域方法的模拟

通过结合格子Boltzmann方法(LBM)和虚拟区域(Fictitiou sDomain)思想,建立格子Boltzmann-虚拟区域(LB-DF/FD)方法.采用两套网格系统,欧拉网格用于流体,拉格朗日网格用于固体.原有的LBM在计算运动固体的受力方面存在数据振荡,LB-DF/FD方法改进了此缺陷.为验证该方法,模拟圆柱绕流、圆形颗粒在无限长通道中平动及在无限大流场中转动三种情况,结果与其他数值解及理论解符合得很好.利用该方法模拟低雷诺数下通道中串列旋转圆柱周围的流场,分析圆柱间距(g)及雷诺数(Re)对流场结构的影响.给出Re=0.001,0.1和10下,0.2≤g≤8.0的流线结构、圆柱升力、阻力以及力矩等数值结果.结果表明,g对流场的结构及圆柱的受力有显著影响,Re对圆柱阻力及Stokes单元数目的影响较大.     

微液滴振荡过程的光滑粒子动力学方法数值模拟

本文对传统的光滑粒子动力学方法进行了改进, 改进的光滑粒子动力学方法对传统粒子方法中的核梯度进行了修正, 采用了一种新型的核函数和离散格式, 应用改进的光滑粒子动力学方法对微液滴振荡过程进行了数值研究. 研究了不同纵横比和雷诺数(Re)下振荡阻尼与振荡的周期、振幅与Re数的关系. 研究表明: 对于纵横比λ≤ 4时的微液滴振荡过程, 其他参数恒定不变的前提下, Re数越大, 液滴形状变化越剧烈, 波的阻尼作用越弱, 液滴振荡周期变长; 在Re数一定的前提下, 随着液滴初始的纵横比的增大, 液滴振动的振幅增大, 液滴振荡的周期变长.     

Multiple solutions and hysteresis in the flows driven by surface with antisymmetric velocity profile

Multiple steady solutions and hysteresis phenomenon in the square cavity flows driven by the surface with antisymmetric velocity profile are investigated by numerical simulation and bifurcation analysis.A high order spectral element method with the matrix-free pseudo-arclength technique is used for the steady-state solution and numerical continuation.The complex flow patterns beyond the symmetry-breaking at Re■320 are presented by a bifurcation diagram for Re 2500.The results of stable symmetric and asymmetric solutions are consistent with those reported in literature,and a new unstable asymmetric branch is obtained besides the stable branches.A novel hysteresis phenomenon is observed in the range of2208 Re 2262,where two pairs of stable and two pairs of unstable asymmetric steady solutions beyond the stable symmetric state coexist.The vortices near the sidewall appear when the Reynolds number increases,which correspond to the bifurcation of topology structure,but not the bifurcation of Navier-Stokes equations.The hysteresis is proposed to be the result of the combined mechanisms of the competition and coalescence of secondary vortices.     

无限展长后掠翼边界层定常横流不稳定转捩分析

采用γ-Re_θt横流转捩拓展模型对NLF （2）-0415无限展长后掠机翼进行数值模拟,重点分析来流雷诺数、机翼表面粗糙度及后掠角对边界层横流不稳定性的影响.研究发现γ-Re_θt横流转捩拓展模型能够准确预测边界层定常横流不稳定转捩,计算结果与试验数据吻合较好.结果表明来流雷诺数越大、机翼表面越粗糙,横流转捩位置越靠前;随着机翼后掠角的增加,转捩位置先前移随后逐渐靠后.     

脉动参数对波纹通道内传热强化的影响

采用曲线坐标系下压力与速度耦合的SIMPLER算法,数值研究了波纹通道内脉动流动与换热情况,流动Re数的范围为5~500,Pr数为0.7.计算考察了脉动参数如脉动频率和振幅对通道内强化传热和压力损失的影响.研究结果表明,流动阻力特性呈周期性余弦规律变化,换热Nu数呈正弦规律变化;频率、振幅的增大,使得阻力脉动幅度增大.受入口脉动流的影响,通道内的旋涡发生周期性的脱落、增长和迁移,从而增强了流体之间的扰动和掺混,强化了传热;传热的强化效果随着振幅的增大而增强,但在特定入口脉动流下,相同振幅不同频率下的强化效果几乎一致.     

带沟槽结构的平板流动中的熵产分析

基于大涡模拟，采用Fluent软件对带沟槽结构的平板流动过程进行熵产分析，探究沟槽结构引起的熵产变化规律.结果表明：沟槽结构能减少流动过程中的熵产，在30 m·s^-1时（Re≈20 000），近壁区总熵产减少约25%，40 m·s^-1时（Re≈27 000）减少约19%，但其结构对后续流动没有持续性影响，且随着法向高度的增加，影响逐渐变小；熵产在沟槽顶端部分的数值远大于其他区域，湍流作用引起的熵产起主要作用.所得结论为优化沟槽结构减阻提供了理论依据.