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。     

过渡流下顺排双列圆柱流动、传热特性的数值研究

为了研究过渡流状态下管束传热强化机理,通过基于复合网格的专用程序,本文建立了顺排布置双列管束计算模型。计算结果表明:1)两列圆柱之间的流场结构分为稳定结构(对称死区)和非稳定结构(旋涡),非稳定结构的流场下的下列圆柱传热效率高于稳定结构流场的传热效率。2)由于旋涡的出现,在一定的横向间距内,传热效率升高速率要大于流动阻力升高的速率,大于这个横向间距后,情况相反,这一结果肯定了旋涡不稳定性对下游圆柱壁面传热强化的影响.3)随着纵向间距的缩小,涡脱频率升高,两列圆柱之间流体被加速,加速了旋涡的发展,这能在更小的横向间距内,率先使传热效率升高。     

湍流度对单排圆孔及后扩孔气膜冷却的影响

通过传热-传质类比法研究了湍流度对单排圆柱孔及后扩孔气膜冷却效率的影响.计算结果表明,小吹风比M=0.5时,圆柱孔与后扩孔的壁面冷却效率相当,湍流度趋向于在整个下游区域使冷却效果恶化;大吹风比M=2时,后扩孔产生的壁面气膜冷却效率的提高明显,而湍流度的提高强化了冷却剂向壁面的扩散,削弱了冷却气膜脱离壁面的现象,趋向于在整个下游区域提升冷却效率.     

开槽锥形孔对耦合传热特性的影响研究

本文通过数值模拟的方法对不同开槽孔结构对壁面的流场分布和冷却效率进行了研究,综合考虑固体内部导热和壁面表面对流换热的耦合传热特性,研究了开槽锥形孔和开槽圆柱孔对下游壁面冷却效果的影响。结果表明:在流速比V_r=0.5时,开槽锥形孔的冷却气能更好的被压覆在冷却壁面上,且有较大的横向扩展,对整个下游壁面有较好的冷却效果。     

均匀流中近壁面垂直流向振荡圆柱水动力特性研究

对均匀来流下靠近壁面处在垂直流向做强迫振荡运动的光滑圆柱的水动力特性进行了试验研究. 试验在拖曳水池中进行, 雷诺数为2× 10⁵, 通过采集顺流向和垂直流向的力, 得到了阻力系数、升力系数、相位角等与间隙比、振荡频率和振幅之间的关系. 通过研究得到如下结论: 1)振荡圆柱的平均阻力系数在近壁面处随间隙比的减小而骤降; 2)振荡圆柱泄涡受到完全抑制的临界间隙比要小于静止圆柱; 3)近壁面的存在对振荡圆柱的能量传递有着重要的影响, 自由边界圆柱强迫振荡所得到的水动力系数不能用来预报海底管道的涡激振动; 4)对于振荡圆柱, 附加质量系数只有在一定的频率范围内才是定值, 且在低频率区域其绝对值随间隙比减小而增大; 5)圆柱在进行强迫振荡时, 其平均阻力系数、振荡阻力系数和振荡升力系数均随无因次振幅的增加而增大. 关键词： 海底管道 强迫振荡 水动力特性 涡激振动     

纳米尺度绕流现象中流体分子运动行为研究

采用分子动力学模拟方法,研究纳米尺度低Re数(Re=20)条件下,氩流体流过铂(FCC(100))金属圆柱的绕流现象.从流线和速度矢量分布两方面刻画涡的周期性产生、发展和脱落过程.结果显示,一个涡脱落周期大约为0.3 ns,斯特劳哈尔数St约为0.2;时均对称涡的长度是圆柱直径的1.4倍,涡径与圆柱直径相当.从速度场和密度场的角度刻画回流区,并进一步研究典型区域(圆柱中心线附近区域及下游邻近区域)的速度分布特性.     

电磁控制两自由度涡生振荡的机理研究

电介质溶液中,电磁场产生的电磁力可以控制流体的运动.本文对两自由度圆柱涡生振荡及其电磁控制机理进行了数值研究.将坐标原点建立在振动圆柱上,推导了非惯性参考系指数极坐标下的涡量流函数方程、初始边界条件及水动力表达式.对圆柱沿法向和流向的流场、受力和位移的相互影响和瞬时对应规律进行了讨论,结果表明,圆柱的涡生振荡同时受到尾涡脱落和圆柱位移的影响.其作用方式沿法向通过影响圆柱上下两侧剪切层的强度,沿流向通过改变圆柱尾部二次涡的强度,从而改变圆柱的受力和运动.其中圆柱位移的作用效果与尾涡脱落的作用效果相反且占主导.另外,在电磁力的作用下,分离点被消除,使得圆柱的尾涡和推吸壁面的效果被抑制,从而使振动的诱因被消除,圆柱迅速达到稳定状态,并在电磁推力的作用下,圆柱的位置向上游移动.     

圆柱近尾迹湍流涡结构的直接数值模拟

本文运用谱元方法对圆柱尾流进行直接数值模拟。通过对中等Re数（1000）时的圆柱近尾迹湍流涡结构的演变系统细致的研究,经过长时间流动计算,用速度矢量及相应涡结构示意图显示主涡,二次涡结构的相互作用,显示整个尾迹涡结构在一个周期内的演变过程,获得了在实验中难以清楚观察到的近壁流动特征。本文得到圆柱近壁处二次涡形成有两种不同的机理,并总结出涡的合并所需要的条件。     

粗糙壁面湍流边界层流动和拟序结构的大涡模拟研究

采用LES方法和虚拟粗糙元模型,,模拟了Rer=180有粗糙壁面的充分发展槽道湍流流动.从流向平均速度、脉动速度均方根、雷诺剪切应力、脉动速度相关,以及瞬时近壁准流向涡结构等多个方面,对粗糙壁面湍流边界层流动和拟序结构进行了分析.结果表明,粗糙壁面处雷诺剪切应力、脉动速度均方根以及近壁条带平均距离和准流向涡尺度都大于光滑壁面,且随着粗糙元高度的增加这种趋势更加明显.本工作为进一步研究颗粒在近壁区域的弥散规律奠定了基础.     

叶栅通道内热斑迁移受动静干涉和叶顶间隙高度影响的研究

本文考虑在透平进口存在热斑时,对受动静干涉和叶顶间隙影响的热斑非定常迁移特性以及近壁面区域的热负荷变化规律进行研究。结果表明:热斑在动叶通道中的形态发生较大变化,并存在冷热流体分离现象;在通道涡、泄漏流以及密度梯度产生的次流涡等涡系的联合作用下,压力面侧的热斑流体逐渐向上下端壁延伸,而吸力面侧逐渐向中叶展聚集;随着顶部间隙高度的增大,泄漏涡与通道涡的干涉作用增强,流道中心流体受泄漏涡的挤压而向压力面侧偏移,引起压力面附近温度梯度的增大,同时由于泄漏量的增加,使叶顶附近壁面两侧的传热环境均趋于恶化。     

微尺度串列双圆柱绕流的分子动力学并行模拟

本文采用基于空间分解算法的分子动力学并行模拟方法,研究了微尺度、低雷诺数（Re=40）下串列等大的双圆柱绕流现象。结果表明：随着间距比L＊／D＊的增加,流动存在3种特征状态：当L＊／D＊〈1．1时,同单一物体的绕钝体流动相似;当1．1〈L＊／0＊〈3．5时,涡脱落现象只在下游圆柱出现,在两圆柱之间有交替附着于下游圆柱的...     

被动控制下双圆柱静止绕流与流致振动研究

采用非稳态RANS方法结合Spalart-Allmaras湍流模型,对高雷诺数下被动控制的串列双圆柱静止绕流和流致振动进行数值计算。详细分析柱体受力、流致振动特性及尾流旋涡形态,结果表明双圆柱静止时,上游圆柱St随Re增加而增大,下游圆柱St先增大后减少,在Re=60000时达到最大值;双圆柱产生流致振动时,上下游圆柱的振幅率变化曲线出现三个不同分支,包括涡致振动初始分支、涡致振动上部分支和驰振分支,圆柱驰振时的最大振幅达到了2.8D。     

低雷诺数下双向受迫振动圆柱尾涡结构分析

本文使用本团队自主开发的一款通用统一的流体力学计算软件UCFD,在Re=100和Re=500时对横、纵双向受迫振动圆柱绕流进行了数值模拟研究,研究发现了一些新的涡结构:在横向振动的基础上增加纵向振动后,在Re=100时,随着纵向振幅的增大,在某些工况下,圆柱的尾涡结构会在2P和P+S模式之间变化;当振动圆柱的纵向振幅增大至0.8D后,圆柱一周期脱落涡可达到5个;Re=500时,随着纵向振幅的增大,圆柱尾涡的2S与P+S结构分布逐渐减少,2P结构分布逐渐变多;当振动圆柱的纵向振幅增大至0.6D后,在某些工况下圆柱一周期脱落5个涡。     

非能动传热球床堆有效导热系数的壁面效应分析

本文针对非能动传热机制下简单立方球床堆有效导热系数进行了数值研究,根据有效导热系数的空间分布特性,对球床堆的近壁面区域和主体区域作了划分;分析了不同非能动传热机制下的有效导热系数的壁面效应;最后分析了导热、辐射和自然对流对近壁面和主体区域有效导热系数的贡献。结果发现,近壁面区域是在壁面附近一个球径范围内的区域;由于辐射和自然对流的影响,相同温度下近壁面有效导热系数比主体区域的有效导热系数小了近15%。当温度分别超过950 K和1080 K时,辐射成为球床堆主体区域和近壁面区域的主导传热机制;自然对流对有效导热系数的贡献并不大,当温度超过600 K时,自然对流可以忽略。研究结果可以为高温球床堆的设计与优化提供理论基础。     

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。     

竖直圆管内超临界压力煤油传热特性实验研究

在压力2.5~4 MPa, 质量流量0.7~1.7 g/s, 热流密度0.06~1 MW/m2的实验条件下, 对煤油在内径1 mm, 长度300 mm竖直上升圆管内的流动与传热特性开展了实验研究, 并分析了传热系数随局部油温的变化及不同实验参数对传热的影响.结果表明, 超临界压力下煤油传热主要由自身物性和流动状态决定.超临界压力煤油传热过程大致可以分为3个区域:正常传热区传热强化区和传热恶化区.传热强化主要是湍流掺混增强和近壁面流体在拟临界温度附近物性剧烈变化的综合作用; 传热恶化则是因为壁温及近壁面流体温度远高于拟临界温度, 在近壁面发生了类似于亚临界状态下的“拟膜态沸腾”.      

基于DES方法的平板孤立冷却孔数值模拟研究

本文运用DES(Detached-Eddy Simulation)分离涡方法,对吹风比为0.51和1.04的平板孤立直圆孔和弯圆孔下游的换热特性和漩涡结构进行了数值研究,并简要分析了下游涡量场的结构。模拟结果显示,预测的壁面温度场的趋势与实验值吻合较好;与RANS方法相比,DES方法得到了更加丰富的流场细节和旋涡结构,同时再现了冷却孔下游具有流场的间歇性,对进一步理解和研究冷却孔下游流场内的旋涡结构提供了参考。     

伴随水力空化现象的对流换热数值研究

以水为介质,建立了液体流动的混合物多相流模型及空化模型,运用CFD方法对水平圆管内伴随有水力空化现象的受迫对流换热过程进行了数值研究,详细分析了管道入口压力、入口温度和限流孔与管道直径比等因素对水力空化及对流换热过程的影响规律。数值模拟结果表明,空化现象出现在圆管喉部(限流孔)壁面附近区域;与相同流量下无空化时的传热相比,在发生空化现象的区域,传热壁面被蒸汽所覆盖导致传热急剧恶化,而在远离空化发生区域的下游位置,由于空化的扰流作用使得加热壁面与流体之间的传热得到明显改善。     

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.     

涡发生器对高超声速轴对称进气道外部流动的影响

采用三维CFD黏性模拟考察涡发生器对高超声速轴对称进气道外部流动的影响.针对前缘钝化半径0.8 mm和3.2 mm的轴对称进气道外部流场,以涡发生器高度与当地位移边界层厚度比值为影响参数,考察流场结构与性能参数的影响规律.结果表明,涡发生器产生的干扰波系使得前缘激波向外偏移,下游近壁面流动与主流区出现明显的交换,下游流动出现明显的展向非均匀性.涡发生器对流动的影响沿流向逐渐减弱.在气流压缩性能方面,涡发生器下游压比、动压比沿流向开始增大,随后逐渐恢复到无涡发生器工况;Mach数、总压恢复系数开始降低,随后逐渐向无涡发生器工况趋近.涡发生器高度与当地位移边界层厚度的比值h可作为衡量其影响的重要参数.当h≤1.5时,进气道流场结构、性能参数的变化几乎可忽略,h≤3.0时进气道入口处性能参数几乎能够恢复到无涡发生器工况.