强制对流和自然对流作用下枝晶生长的数值模拟

建立了一个基于格子玻尔兹曼方法 （LBM） 的二维模型,对强制对流和自然对流作用下合金凝固过程中的枝晶生长行为进行了模拟研究. 与传统的基于求解Navier-Stokes方程计算流场的方法不同,本模型采用基于分子动理论的LBM对凝固过程中的传输现象进行数值计算. 用三组粒子分布函数分别建立了计算流场、由对流和扩散所控制的浓度场和温度场的LBM演化方程. 通过求解LBM演化方程获得固/液界面前沿的浓度和温度分布. 然后,基于溶质平衡方法计算了枝晶生长的驱动力. 为了对模型进行验证,将模拟在强制和自然对流作用下枝晶上游尖端的稳态生长特征分别与Oseen-Ivantsov 解析解和修正的Lipton-Glicksman-Kurz 模型预测结果进行了比较, 模拟结果和理论预测结果符合良好. 模拟结果还表明,对流使热量和溶质从上游传输到下游,从而加速了枝晶在上游方向的生长,而抑制了下游方向的生长,形成了非对称的枝晶形貌. 关键词： 微观组织模拟 枝晶生长 对流 格子玻尔兹曼方法     

溶液蒸发冻结过程中冰体发展的分形模拟研究

根据溶液在蒸发冻结过程中的复杂性以及液面冰体分布的不规则,结合分形有限扩散聚集(DLA)理论,建立了湿度差作用下溶液蒸发冷冻过程中液面冰体生成、发展过程的数学模型,模拟分析了气流湿度差和气流流速对溶液表面冰体生成、发展的影响.结果表明,利用分形方法可以对溶液蒸发冻结过程中冰体的生成发展进行预测,同时也为研究溶液蒸发冻结和冰体生长提供了新的思路和方法.     

自然对流换热的高精度非结构网格有限体积法

用非结构网格有限体积法求解自然对流换热时,传统的对流项离散格式难以兼顾数值精度与计算效率,我们发展了一种耦合高精度格式的延迟修正方法,用于对流项的离散.高Re数下方腔驱动流数值计算验证了该方法具有较高的计算精度和较好的稳定性.Boussinesq流体的自然对流换热数值模拟,表明该方法能有效克服高Ra数时数值计算发散,可准确捕捉自然对流换热问题中不同偏心率下的等温线和流线分布特征.     

热声热机换热器的基本换热特性研究

基于弱非线性热声理论,对热声换热器的基本换热特性进行了理论分析。在前人研究基础上,增加了换热器内纵向温度梯度的影响,获得了二阶周期平均热流的解析表达式,并定义了适合表征热声换热器换热特征的无量纲换热量。计算分析了无量纲参数声导率Ya,对流与压缩性比Γ,动态雷诺数Re_w对换热器时均换热量的影响。分析表明,换热器产生时均吸热还是时均放热特性主要由临界声导率幅值央定,存在时均纵向温度梯度时,还取决于Re_w;声导率的相位角对时均热流的影响相对较小,但其影响会随着|Γ|和|Ya|的增大而增大;|Γ|的存在增强了换热;存在临界的Re_w值使得二阶周期平均热流取得极值。本文所定义的无量纲换热量能合理表征换热器换热特性,对热声换热器基本换热特征的研究将为进一步考察其实际复杂工作机理提供理论指导。     

矩形腔内纯水凝固过程实验研究

应用PIV并结合温度变化研究纯水在矩形腔内凝固过程中的热自然对流.在侧壁和底部冷却条件下,水平温度梯度是液相区流动产生和发展的主要原因.随着冷却进行,主流区域出现新的对流涡,液相区出现流动反转现象;纯水的临界冰核尺度较大,发生过冷凝固;降低冷端温度可以强化热对流强度,提高凝固速度.     

内螺纹管流动沸腾气泡行为及换热特性研究

为探究内螺纹管流动沸腾过程中的气泡行为及其对换热的影响机理,采用VOF模型(Volume of Fluid Model)及相变模型对工质在小尺寸水平内螺纹管中的流动沸腾过程进行二维非稳态数值模拟。获得了不同质量流速下工质在管道内的气相分布以及管壁不同位置处的温度、换热系数。分析了内螺纹管流动沸腾过程中的气泡行为特点以及不同气泡行为对换热性能的影响。研究表明:在内螺纹管中随着质量流速的增加,管内含气率降低,平均换热系数增大。管壁面上气泡的滑移、长大行为会削弱对流换热,而近壁面气泡的聚并行为会增强对流换热。     

差分干涉仪及在传热学研究中的应用

从原理上讨论了,渥拉斯顿棱镜差分干涉仪的特点、光路布置,以及在自然对流研究中的应用。给出了由差分干涉图计算热边界层温度分布的数学过程。实验表示,测量误差不大于4％。     

格子Boltzmann方法模拟融化相变过程

建立融化和自然对流耦合的格子Boltzmann双分布函数模型,采用焓法迭代求解相变非线性源项,并通过变松弛时间方法处理固液两相变热物性间题.热传导融化过程的计算值与分析解的对比分析说明该模型能够准确地模拟融化过程.自然对流条件下融化过程的模拟结果表明自然对流在一定程度上影响了融化传热及融化速率等,体现出与热传导融化不同...     

风力机叶片覆冰的数值模拟

风力机叶片覆冰会使风力发电效率下降并且威胁风力机组的安全运行。本文采用Fluent中的欧拉多相流模型,通过添加质量传递以及对流换热系数计算模型等,实现了对风力机叶片表面覆冰的二维数值模拟,结果表明:覆冰主要出现在叶片的前缘迎风面,且驻点附近覆冰最多;当增大翼型攻角时,驻点向翼型的下部尾部移动,最大覆冰位置也相应地移动;随着时间的推移,叶片表面覆冰增多。     

饱和颗粒土冻结过程的数值模拟

影响饱和土冻结过程的因素很多而且复杂,本文采用刚性冰模型对于持续补水的饱和颗粒土的冻结过程进行了一维数值模拟,分析了外载、导水系数以及土豹持水性对于冻结过程以及冻胀的影响,计算结果表明外载增加使得冻胀速度降低,较大的导水系数以及较好的持水性导致分凝冻胀量较大.     

抗爆容器内爆炸流场数值模拟

 采用计算流体动力学中的二阶精度TVD差分格式和特殊算子分裂法,按轴对称问题,对半球顶圆柱筒密闭式抗爆容器内部爆炸流场进行了数值模拟。计算得到的容器壁面载荷分布与实验结果基本一致。不同时刻爆炸流场压力分布图像清晰地描述了容器壁面的冲击波加载过程。     

受振颗粒“毛细”系统中的对流与有序化

将球形颗粒倒入内径较窄的管状容器时,管壁的曲率会对颗粒的堆积结构产生影响,存在壁效应. 实验表明通过连续的竖直方向的振动,壁效应可以被强化,颗粒可以经由对流由无序排列转变为稳定的同轴筒形“壳层”结构. 每一壳层内,颗粒是二维的六角密堆积, 在这一转变过程中,颗粒堆积率的径向分布由初始的衰减振荡转变为等幅振荡. 分析了堆积率的不均匀性及空气在对流中的作用,以及形成“壳层”结构的动力学过程,对“壳层”结构的稳定性亦进行了讨论. 关键词： 颗粒物质 对流 有序化 毛细     

基于焓法的固-液相变格子Boltzmann模型

潜热储能系统中的相变材料固液相变问题是一个重要的多相流动问题.本文研究了在具有不同类型源项下的焓法格子Boltzmann相变模型在还原温度场分布上的特性.为了消除外力项对温度场的额外影响,本文对源项进行了修正,并通过求解单区域相变问题和自然对流相变问题,验证了由Chapman-Enskog展开得到的焓守恒方程中源项的影响.结果 表明,在单区域相变问题中,改进模型的温度分布更加准确.另外,在有相变的自然对流问题中,没有潜热附加项的改进模型的熔化过程比其他模型略慢,同一时刻的最大液相率与最小液相率之差小于0.01.     

水平磁场对液态金属自然对流的影响

在聚变堆中,由于大温差和强磁场的影响,液态金属自然对流呈现出了不同于常见流体的流动和换热特征。本文基于自主研发的磁流体计算程序,通过三维直接数值模拟,研究了平行于温度梯度的水平磁场对封闭方腔中液态金属流动与传热的影响。分析了不同磁场强度下,方腔内的流动与传热,包括主环流、二次流、温度分布及Nu数分布等,并从机理上解释了磁场的影响。结果表明平行温度梯度的水平磁场对自然对流有抑制作用,磁场越强,抑制越明显,传热效率越低。     

列管式相变储能换热器强化换热的数值研究

在考虑自然对流的情况下,利用FLUENT软件研究了进口工况、模型结构、相变材料物性及相变材料组合对列管式相变储能换热器储热换热性能的影响。结果表明:在进口功率一定的条件下,提高进口温度或进口速度对强化换热效果影响不大;管内添加翅片及提高相变材料导热系数对强化换热较为显著,最佳的翅片结构较光管结构的完全熔化时间缩短了30.7%,但在一定程度上削弱了自然对流的作用;对于管列数较多的情况,使用相变材料组合是一种有效的强化换热方式.     

一种二维自然对流问题的迭代计算方法

本文对二维自然对流问题给出了一种迭代计算方法。由于该格式是稳定的,同时在总体上采用了迭代过程以及用速度分量计算壁面漩涡度的计算公式(17),在一定程度上提高了计算的精度。因此,该方法可适用于高Ra数的层流自然对流问题的研究。     

直接蒸发式冰蓄冷空调的蓄冰槽融冰强化换热

现有的直接蒸发式冰蓄冷空调蓄冰槽内在融冰运行时都存在不利于传热的较大垂直温差.本文通过在蓄冰槽中下部位置处设置水平交叉盘管,使蓄冰槽内的坚直冰柱易于断裂,从而改善槽内自然对流条件,达到强化换热的目的.实验表明,水半盘管的布置明显减小了蓄冰槽内在融冰过程中的上下层温差,传热过程得到强化,融冰速度加快,制冷系统的COP也相应得到提高.     

竖直盘管直接蒸发内融冰式冰蓄冷空调融冰机理

以竖直盘管直接蒸发内融冰式冰蓄冷空调蓄冰槽内的传热过程为基础,利用热阻网络法和能量平衡建立了融冰过程的数学模型,对其融冰机理进行了理论分析。计算结果表明,融冰过程中蓄冰槽盘管出口的制冷剂温度随时间逐渐升高,但在后期存在一个因冰柱碎裂上浮导致自然对流瞬时得到强化从而引起的短时间轻微下降现象。另外,蓄冰槽内的传热系数经历了先骤然降低,然后维持稳定,最后又快速上升的过程。该现象与盘管外由于冰融化所形成的水环直径有关,水环直径越大,释放冷量的速度就越小。通过与实验数据的对比,验证了计算模型的合理性和准确性。     

多组元化合物晶体生长过程中的双扩散对流现象

针对多组元化合物晶体的Bridgman生长过程,通过对液相区流场和浓度场的数值模拟,研究生长过程中容器内部双扩散对流与组分分布的情况.首先对比了三段场和梯度场炉壁温度设计情况下液相区的流体双扩散对流以及组分分布情况.在此基础上,针对梯度场炉壁温度条件,分析了不同参数的影响.结果表明:在溶质格拉晓夫数较大时,它的增大能够明显地削弱液相区的流体流动,从而使得界面附近的组分分布也产生变化;此外,拉晶速度的增大也能够使得液相区的双扩散对流受到抑制.     

高通量空气隙膜蒸馏传热研究

本文研究了空气隙膜蒸馏的传热过程,给出了其主要的传热计算公式。实验结果表明热腔内进液流量的增加,使传热强化,膜通量增加,但提高膜通量最有效的方式还是提高进液的温度。针对膜蒸馏热腔内切向旋转入流的特点,本文认为采用近似对流外掠平板的经验公式更加合适,并根据实验结果拟合出热腔对流换热的经验公式,计算结果与实验结果吻合较好。空气隙厚度大于3mm后,由于空气隙内自然对流换热的影响,空气隙传递的热量反而增加,并且进液温度越高,自然对流换热对总热流密度的影响越大。根据实验结果给出了水蒸气在冷壁表面凝结换热的表面传热系数计算公式。