润湿性及磁场对液态金属自由表面膜流流动状态的影响

通过数值模拟及实验研究了润湿性及磁场对液态金属膜流流动状态的影响。首先,通过数值模拟研究了润湿性对膜流流动状态的影响。结果表明,当润湿性不好时,液态金属膜流容易发展为溪状流而不能完全覆盖底壁,入口膜厚较薄时更易发展为溪状流;在入口膜厚及其它情况相同时,密度越小越易发展为溪状流。其次,研究了磁场对膜流流动状态的影响。结果表明,槽道与流体润湿性不好时,有磁场情况下液态金属膜流覆盖底壁的区域较无磁场时增加,强磁场对膜流的湍流有抑制作用。最后,液态金属膜流实验结果表明,润湿性不好时,镓铟锡合金膜流容易收缩发展为溪状流,这与数值模拟的结果是一致的。上述研究结果对磁约束聚变堆液态第一壁的设计具有指导意义。     

液态金属自由表面膜流MHD效应的数值模拟

对液态金属自由表面膜流在强磁场下的磁流体力学效应进行了数值模拟研究,获得了液态金属自由表面的形状、截面流速分布及截面上的电动势分布,从而能对膜流的一些磁流体动力学行为作出解释。数值计算结果与理论分析和实验结果符合较好。由实验和数值模拟结果可以得出,液态金属膜流通过强磁场时,磁场会阻碍膜流的运动。     

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。     

磁场作用下气液两相混合流动的数值研究

本文采用流体体积法(Volume of fluid,VOF)捕捉气–液态金属两相的交界面,数值研究了有、无外加磁场作用时不同工质对的气–液态金属两相流体在多入口磁流体发电通道中的混合流动过程。结果表明,气–液两相流体在通道中形成了具有周期性变化的两相流型。液态金属密度与气体密度的比值h较大时,分层流中液态金属速度的变化范围较大,但流动较稳定;h较小时,液态金属的界面容易断裂而形成柱状流,使气–液两相流体的接触面积减小,降低了气体对液态金属的携带能力。在磁场的作用下,洛伦兹力抑制了液态金属的流动,削弱了气体对液态金属的携带能力,使三维时空流型的变化周期缩短。     

带引流条导电矩形管磁流体湍流大涡数值模拟

为研究引流条对磁流体湍流的影响，采用自主开发的低磁雷诺数流固耦合磁流体相干结构模型大涡模拟求解器，对均匀磁场作用下平行层内带引流条导电矩形管和标准导电矩形管中液态金属湍流进行了数值模拟研究。结果表明，外加垂直流动方向的均匀磁场与流动的导电流体相互作用产生与流动方向相反的洛伦兹力，能够抑制磁流体的湍流脉动，这种抑制作用随着哈特曼数增大而增强。在弱导电率条件下，当Re=16350、Ha=212 时，两种管道中的流动均转换为层流流动状态。管道内壁面摩擦系数随着哈特曼数的增大而增大。引流条能在其近壁局部区域增强横向速度，有效激发湍流，但在弱壁面导电率条件下，带引流条导电矩形管壁面摩擦系数较标准矩形管大。     

几种液体金属自由表面的MHD不稳定性实验研究

介绍了在核工业西南物理研究院的液态金属实验回路(LMEL)上获得的几种可供液态偏滤器-限制器系统选用的液体自由表面的磁流体动力学(MHD)效应不稳定性的实验结果。实验发现：自由表面射流在穿越梯度横磁场时射程变短、截面变扁平,但MHD效应稳定,调节射流与磁场的夹角可以控制射流的流动特性;自由表面膜流MHD效应存在三种现象,即层流、溪状流和湍流。层流是由多束射流打到固体表面产生的(简称“射-膜流”),从MHD效应角度考虑,“射-膜流”将是四种可选液态偏滤器-限制器系统的液体自由表面形式中最佳的选择。同时,探讨了从物理的角度来理解四种自由表面形式的MHD效应的现象。     

微尺度型腔内液态金属流动规律模拟研究

修正了传统的Navier-Stoke方程,并利用修正后的方程与Fluent软件对微尺度型腔内Zn-Al合金微流动规律进行了数值模拟.模拟结果表明：液态金属在微尺度管道内的流动规律在管径为0.5mm时出现临界状态,管径越细,速度附面层相对厚度就越大.同时,微管流动存在着宏观流动中没有的“凸进效应”,且随着入口压力增大,流动前沿自由液面的凸进效应减弱.在流动前沿区域和上游区域之间出现负压力梯度区,且管径越细越明显. 关键词： 微管道 微流动 Zn-Al合金     

T型微通道气液两相流流动与传热的数值研究

为进行微通道气液两相流动及传热研究,建立了T型微通道模型,利用VOF方法进行数值模拟,对弹状流流型进行了数值分析,考察了弹状流的形成过程、速度、表面张力和粘度对弹状流流型的影响,计算了气泡速度和液膜厚度,并与经验关联式进行比较。结果表明:液体粘度对弹状流的影响较大;而表面张力对弹状流几乎没有影响,当气速一定时,液速越大,气泡的长度越小而液柱的长度越大。气泡速度和液膜厚度与经验关联式的计算结果误差分别为2.57%和4.87%。     

改性疏水固壁润湿性反转现象的格子Boltzmann方法模拟

基于疏水固壁改性会引起润湿性反转的特点,采用考虑固体与液体间分子力的格子Boltzmann方法,从壁面的线性和瞬时改性两方面对润湿性反转现象进行了数值模拟,并结合流体体积方法处理界面层质量.结果表明:壁面线性改性的过程中润湿性反转变化平稳,润湿所需时间大幅减少,所得到的接触角与固液吸引力系数的关系与其他文献结果一致;壁面瞬时改性幅度越大说明固壁对液滴作用力越强,表现为润湿性变化越明显,瞬时改性后接触角随时间呈指数规律变化,这与现有结论相符合.研究发现:在改性条件下液膜铺展过程中伴随着振荡变化,线性改性的振动峰值与改性幅度相关;瞬时改性的液膜速度会在某一时刻突然增大,这种现象与夹带空气有关.     

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采用FLUENT软件分别对外加均匀横向磁场的等截面三维充分发展液态金属管流的层流模型和低雷诺数湍流Lam/Bremhost(LB)模型进行了数值模拟,分析了外加磁场对普通方管LB模型速度分布和压降的影响。比较在相同哈特曼数下,层流和湍流模型方管截面上速度分布和管道中MHD压降。其中,对电流的计算采用磁感应方程来求得。数值模拟结果证明了用低雷诺数LB湍流模型解决方管磁流体流动的可行性。通过层流模型和湍流模型的对比可知,层流模型有较短的入口长度,但管内流体的压降却很大;而湍流模型管内速度更加平均化,管内压降较小,但管内入口长度较长。     

壁面涂层构型对垂直降膜流动特性的影响

利用特种表面涂层材料对实验管壁进行改性,使液膜形成沟流,实现液膜的内外表面溶液重新掺混;管外涂层的不同构型形成表面张力梯度表面,在吸收过程中可引导液滴向液膜方向运动,促进液膜扰动,从而达到强化传质的目的.通过液膜流动的可视化照片和液膜波动特性的实验结果,对不同状况下的流动形态进行初步分析.     

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分析了磁流体力学效应对液态金属自由表面射流稳定性的影响。从射流的感应电势、电流、速度等方面,解释射流在磁场中稳定的原因。数值计算结果验证了理论分析。     

表面弹性对含可溶性活性剂垂直液膜排液的影响

针对含可溶性活性剂的垂直液膜排液过程,在考虑表面弹性作用的基础上,采用润滑理论建立了液膜厚度、表面速度、表面和内部活性剂浓度的演化方程组,通过数值计算分析了表面弹性和活性剂溶解度耦合作用下的液膜演化特征.结果表明：表面弹性是影响可溶性活性剂垂直液膜排液过程中必不可少的因素.排液初期,随表面弹性增加,液膜初始厚度增大,表面更趋于刚性化.随排液进行,弹性不同的液膜呈现不同的典型排液特征：当弹性较小时,液膜上部表面张力高,下部表面张力低,产生正向的马兰戈尼效应,与重力作用相抗衡.当弹性较大时,膜上部表面张力低,下部表面张力高,产生逆向的马兰戈尼效应,促使液膜排液加速,更易发生失稳.活性剂溶解度通过控制液膜表面的活性剂分子吸附量,进而影响表面弹性：当活性剂溶解度较大时,液膜厚度较小,很快发生破断;随溶解度降低,液膜稳定性增加,初始表面弹性也随之增大,并随液膜变薄逐渐接近极限膨胀弹性值.     

Numerical Simulation for Falling Film Flow Characteristics of Refrigerant on the Smooth and Structured Surfaces

Flow characteristics of a liquid film flowing over a smooth surface and structured surface with the Reynolds number range from 10 to 1121 are studied. The mixture of R21 and R114 refrigerants is used as the test liquid. The 3D transient simulations are taken to capture the liquid film’s dynamic characteristics and spatial distribution. Effects of the inlet dimension, inlet flow rates, surface tension, and surface structuring on the wettability, average velocity, and film thickness are studied systematically. The obtained results show that surface tension is essential for an accurate simulation, while inlet width has no effect on the liquid film parameters in the steady-state flow regime. For low flow rates, wetting area and film thickness both are small, and a suggested range of Reynolds number is chosen to simulate further heat transfer in order to balance the film thickness and dry spots generation. It is shown that a ripple surface structure hinders the liquid film movement, reflected in a lower velocity and a larger film thickness compared to the smooth surface. Lateral movement of a liquid film can also be observed at the structured surface.     

水平磁场中液态锂膜流动实验装置及初步结果

设计了用于水平磁场中锂膜流动铺展性及磁流体动力学效应研究的实验装置，介绍了所用磁铁、锂循环回路、动力系统、回路温控系统和测量系统五个组成部分。各部分加工完成，进行现场组装与回路调试，最后加入锂锭熔融后完成实验台搭建工作。利用该实验台研究了锂膜在不锈钢表面的铺展情况、锂膜表面形态与流动雷诺数的关系，以及磁场对液膜表面形态的影响等方面。结果发现液态锂膜在充分锂浸润的不锈钢表面能够完全铺展，水平磁场对锂膜流动有致稳作用，并且可以抑制磁场方向的表面波动。     

Rivulet flow on the outer surface of an inclined cylinder

A study of the three-dimensional flow of a liquid film (rivulet) over the external part of an inclined cylinder was conducted for liquids with various physical properties. Patterns of the flow regimes were constructed. Good agreement is observed between the experimental data on the thickness and wall friction with the calculation with an asymptotic model in the case of a waveless rivulet. A comparison of the evolution of natural waves on rivulets with the theory of waves of maximal growth shows good agreement for small Re numbers. During the experiments, the wave characteristics of excited waves on a rivulet were investigated. The thickness, amplitude, frequency, and phase velocity of the waves over a wide range of variable parameters are given. Phase velocity integrated functions of the amplitude are constructed for various liquids. The friction on the cylinder wall is measured in the presence of natural and excited waves. The effects of wave regimes on the average values and RMS (root-mean-square) friction pulsations are studied.     

Multi-Zone Ice Accretion and Roughness Models for Aircraft Icing Numerical Simulation

A mathematical multi-zone ice accretion model used in the numerical simulation of icing on airfoil surface based on three water states, namely, continuous film, rivulets and beads is studied in this paper. An improved multi-zone roughness model is proposed. According to the flow state of liquid water and film flow, rivulets flow governing equations are established to calculate film mass distribution, film velocity, rivulet wetness factor and rivulet mass distribution. Force equilibrium equations of droplet are used to establish the critical conditions of water film broken into rivulets and rivulets broken into beads. The temperature conduction inside the water layer and ice layer is considered. Using the proposed model ice accretion on a NACA0012 airfoil profile with a $4^◦$ angle of attack under different icing conditions is simulated. Different ice shapes like glaze ice, mixed ice and rime ice are obtained, and the results agree well with icing wind tunnel experiment data. It can be seen that, water films are formed on the surface, and heights of the films vary with icing time and locations. This results in spatially-temporally varying surface roughness and heat transfer process, ultimately affects the ice prediction. Model simulations indicate that the process of water film formation and evolution cannot be ignored, especially under glaze ice condition.