颗粒与顺列管束磨损的数值模拟

采用直接数值模拟方法模拟了在管道中直径80μm的颗粒对顺列10×10管束的碰撞和磨损.圆管与流场流体之间的相互作用采用内嵌边界方法进行计算并得到流场结构.颗粒的运动采用了拉格朗日跟踪方法计算并与流场之间进行了双向耦合.计算分析了沿流向以及垂直于流向各排管束受到颗粒的碰撞产生的磨损量.计算结果表明沿流向第三排管束以后的各排管束应采取防磨措旌.     

液固两相流中流体旋涡对固体粒子运动影响的数值研究

基于离散涡方法求得的非定常、不稳定流场和颗粒的Lagrangian运动方程,数值计算了四种St数下的泥沙粒子在圆柱绕流场中的运动。计算结果证明了颗粒运动与流体旋涡存在着明确的相关结构：在钝体（圆柱）表面附着泥沙,当流体流过钝体时产生具有剧烈分离的不稳定流动,带动钝体表面泥沙起浮。对于小St数（0．15～0．59）与中等St数（1．33～2．36）的泥沙颗粒被流体旋涡所带起,井被卷入流体旋涡结构内,被卷入流体旋涡结构内的泥沙颗粒在运动过程中始终分布于旋涡区,即在旋涡区聚集。     

过渡流下管束的流动、传热特性研究—串列双圆柱流场研究

本文从换热器管束中最基本的串列布置形式出发研究处于过渡流区域的小管径换热器的性能变化。通过基于作者研究开发的复合网格计算方法模拟了在低、中雷诺数条件下,串列双圆柱随中心距的变化下的流场、温度场的变化特性,并分析了其机理。计算结果表明,随着圆柱间中心距的逐渐增大,圆柱尾流呈现出从不稳定到稳定再到不稳定的变化规律。通过研究发现,两圆柱中间流场是否稳定与这一区域的u_m是否是连续的负值有着密切的关系,而流场的变化规律同两圆柱间的u_m的变化规律也十分相似。     

过渡流下近壁插入圆柱对壁面强化传热的影响

本文利用基于复合网格系统的计算方法,对Re=50~1200的近壁插入圆柱流场进行数值模拟,研究过渡流状态下在壁面附近插入圆柱对下游壁面传热强化的影响。并基于低速循环水槽流动实验台,采用粒子成像测试法(PIV)对Re=100~500的近壁插入圆柱流场进行可视化实验研究,验证了数值模拟方法的可靠性。研究结果表明:近壁插入圆柱流场在Re=100时进入过渡流状态;Re直接影响圆柱尾流中周期性涡脱和壁面涡岛的发生位置及其洗刷效应的大小,随着Re的增大,洗刷效应明显增强,因而,过渡流范围内Re越大,圆柱下游壁面传热强化越大。     

串列对转双圆柱的多块LB模拟

结合格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method,简称LBM)和多块网格(Multi-Block Grid)技术,数值研究较小雷诺数(Re=100)下均匀来流绕串列对转双圆柱问题,综合分析圆柱中心间距比S/D和圆柱无量纲旋转速度α对流场结构的影响,考察前、后圆柱的涡脱落形态和升阻力特性.结果表明:当间距比为1.2时存在一临界旋转比α_c,转速超过这一值后前圆柱产生负Magnus效应;间距比为2时,流场出现类似单旋转圆柱时的第二不稳定模态;当间距比较大(S/D=4、6)时,前、后柱之间存在涡脱落,后柱尾涡中出现2S、2S^*、2P、P+S等多种形态.     

过渡流下近壁插人圆柱瞬时流动传热特性研究

为了进一步探讨过渡流状态下,在近壁面区域插入圆柱对壁面传热强化影响的机理,本文利用基于复合网格系统的计算方法,对过渡流范围内Re=500,圆柱处于最佳插入位置,即C/D=0.6时近壁插入圆柱流场的瞬时传热特性进行数值研究。研究结果表明:在壁面附近插入圆柱能够导致圆柱下游壁面产生涡岛,而涡岛对壁面的洗刷效应正是促使圆柱下游壁面传热增强、摩擦降低的主要原因。     

横向管间距对涡强化扁管管片局部传热的影响

应用萘升华传质/传热比拟技术研究了横向管间距对涡强化扁管管片局部传热的影响.通过对不同位置的横向实验数据进行比较,反映了在纵向放置不同旋转方向的涡产生器情况下,不同横向管间距(S1/S2=0.582、0.727、0.969)的局部传热特性.     

基于POD方法开缝圆柱绕流流场的研究

利用粒子成像测速技术（particle image velocimetry,PIV）,在水槽中探究缝隙对圆柱流场结构的影响,应用频谱分析和本征正交分解（proper orthogonal decomposition,POD）方法,研究了开缝圆柱流场相干结构.实验Reynolds数范围内,缝隙的"吹吸"作用从根本上改变了圆柱绕流近区尾流结构,前6阶模态形态是流场中最主要的相干结构.第1,2阶模态形态控制着圆柱绕流流场涡街相继脱落过程,1或2阶模态系数为尾迹涡的固有频率;第3,4阶模态形态控制着脱落旋涡沿流向方向能量运输;第5,6阶模态形态中的同向涡旋结构作用于旋涡缓慢脱离柱体这一过程,并对旋涡能量起着衰减作用.      

传热效率——强化传热的新评价指标

本文从热耗散的角度出发,提出了一种新的衡量热量传输过程效率的物理撼.随后,本文利用最小热耗散优化原理对圆管管内空气对流换热问题进行了优化计算,同时从层流和湍流两种情况进行了优化前后的传热效率的比较.结果表明,对于管内对流换热问题,与不优化的光管相比,优化后的圆管的传热效率远高于前者,并且传热效率与努塞尔数的趋势一致.因此,本文提出的传热效率能够很好地应用于管内强化传热的评价.     

串列双圆柱时均流场特性分析

对Re=12 000,间距比L/D=1.167,2.333,3.500和4.667的串列双圆柱后方速度场进行了实验测量,分析串列双圆柱后方不同剖面处的速度分布规律和湍流度分布规律.并通过流函数理论模型对小间距比串列双圆柱后方流场进行了分析,得出如下结论:与单圆柱相比,当串列双圆柱间距比较小时,后方圆柱的自由剪切层明显向内偏移.随着间距比的变大,由于前方圆柱的尾流对后方圆柱的干扰,后方圆柱的自由剪切层变得越来越模糊.对于间距比较大的串列双圆柱,其对后方流场的扰动较强,致使后方流场湍流强度和最大速度衰减量较大.通过流函数理论模型分析发现,在小间距比条件下,串列双圆柱由于两个圆柱的相互干扰,使得圆柱后方涡相互靠近,并且后方涡向外倾斜的角度也减小,从而导致了自由剪切层向内侧偏移.      

具有微小针肋阵列靶板表面冲击传热性能研究

本文对具有微小针肋阵列的粗糙靶板表面冲击传热性能进行了稳态实验和数值模拟研究,并与平板冲击传热进行了比较分析。射流雷诺数范围是15000～30000,冲击间距比分别为1.5、3和5。通过稳态实验获得了总体平均冲击传热性能和压力损失,数值计算采用k-ωSST湍流模型分析了冲击传热系统中的流场和传热特性。结果表明:微小针肋结构明显提高了冲击冷却系统总换热量,而压力损失增幅很小;相比于平板冲击传热,冲击间距比为1.5的微小针肋靶板冲击传热量提升幅度最大。数值计算还发现,微小针肋阵列弱化了端壁传热,冲击间距比为1.5、3和5时,微小针肋靶板端壁努塞尔数分别为平板的56.3%、53.0%和46.8%。     

复合发动机预冷器换热特性研究

复合发动机预冷器以其轻质紧凑的结构且高效的传热性能逐渐应用于超音速飞机发动机中,研究高流速高温差极端环境下微小尺度紧凑结构内换热机理对于提高发动机性能具有重大意义。本文针对Sabre复合发动机的预冷器,建立三维稳态可压缩流体横掠叉排管束的强制对流换热模型,研究管内流体速度,管外流体速度,入射角度以及管间距对于管外空气换热性能的影响机制。结果表明,通过增大管内制冷介质的流量,缩小管间距以及空气垂直入射等几种手段,均能达到提高预冷器换热效率的效果。     

沟槽深宽比对泰勒涡流影响的研究

本文采用数值模拟研究了同心圆柱环隙内的泰勒涡流,利用PIV实验结果验证了模拟结果的可靠性。为掌握沟槽尺寸对环隙内流场及其传热过程的影响规律,本文研究了四种不同深宽比模型内的流场及温度场分布,通过对比不同模型的计算结果,获得如下结论:环隙间存在恒定温度梯度时,随着深宽比增加,泰勒涡轴向尺寸逐渐增加;深宽比影响了环隙内流体的径向速度分布,当深宽比为0.75时流体的径向速度最大;深宽比为0.75时内圆柱壁面热流密度最大,当深宽比大于0.75并继续增加时,环隙内流体的传热性能并没有得到明显加强。综上所述,本文所研究的4种不同深宽比的模型中,深宽比为0.75的模型具有最优的传热效果,沟槽深度在一定范围内能够强化流体与壁面之间的对流换热。     

泡沫金属内相变材料融化传热过程的数值模拟

以泡沫金属为基体,孔隙中填充相变材料能有效改善相变传热性能.考虑金属骨架与流体之间的不同的传热特性,建立了泡沫金属内融化相变传热的双温度模型.运用显热容法模拟了泡沫铝内融化相变的温度分布与流场.计算结果显示对比纯相变材料,加入泡沫铝能显著强化传热性能.固体骨架与储能材料之间在其相变时有较大的温差.     

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.     

管间距对涡强化扁管管片散热器传热的影响

本文应用萘升华传质/传热比拟技术对涡产生器强化的叉排扁管管片式换热器的横向管间距对传热/传质及阻力的影响进行了实验研究。本研究的目的是要得到一可工程应用的关联式,它能反映不同的横向管间距(S_1/S_2=0.582、0.727、0.969)对传热/传质及阻力特性的影响。     

锅炉炉内含尘气流冲刷管束换热器的流动和传热特性研究

本文通过模型计算和实验对于含尘烟气冲刷圆管和螺旋肋片管的管束换热器的流动和传热特性进行研究。结果表明,换热管束的形式对颗粒的传热强化作用具有明显的影响。颗粒对圆管的传热强化作用必须予以考虑,而对于螺旋肋片管则可忽略。     

竖直通道内双水平圆管自然对流的数值模拟

采用非稳态的层流模型对竖直通道内竖直布置的两根水平圆管的自然对流换热进行了数值模拟研究。分析了管间距对圆管自然对流流动和换热以及时间特性的影响。数值模拟结果表明:随着管间距S的增大,上下管之间的流动增强,上管换热的增强幅度较下管明显,Ra越大,上管的换热增强越明显。在Ra=10~8时,上下管的换热并不随着S的变化而呈现单调的变化。不同参数下,上下管的换热呈现出稳态、准周期振荡、周期振荡和混沌的时间特性。所得结果可为管束式换热器的传热计算提供理论参考。     

螺旋弹性管束换热器壳程振动强化传热研究

为揭示螺旋弹性管束换热器的振动强化传热机理,基于一种双螺旋弹性管束换热器,采用双向流固耦合计算方法,对螺旋圈数、入口流速和壁面温度对其壳程流致振动强化传热特性的影响进行了研究。结果表明:随着螺旋圈数的增加,管束的面均传热系数和单位压降下的面均传热系数均降低,但相对面均传热系数误差、PEC值和体均传热系数均增大。随着入口流速的增加,管束的面均传热系数、相对面均传热系数误差和PEC值均增大,但单位压降下的面均传热系数降低。随着壁面温度提高,螺旋弹性管束传热会显著增强,但振动对管束强化传热影响不大。     

用剪切干涉法测气动窗口流场对光束质量的影响

 利用横向剪切干涉仪对测量环境要求不高的优点,提出用横向剪切干涉仪测量气动窗口流场对光束质量的影响;给出测量原理,解决了干涉条纹难以判读的难点。并对稳定工作状态下自由旋涡气动窗口流场对光束质量的影响进行实验研究。以斯特列尔比为评价标准,测量给出自由旋涡气动窗口在稳定工作状态下对光束质量的影响程度。结果表明,当自由旋涡气动窗口工作在理论设计条件下时,对光束质量的影响比较小,能较好满足任务需要。