近临界流体微通道内流动稳定性和换热特性研究

微尺度条件下的化工、医药、传热与能源利用等系统的研究已经成为极具潜力和挑战性的课题.相应条件下流体流动和换热的分析必须考虑尺度效应所带来的系列问题.该研究采用了数值模拟方法对近临界二氧化碳流体在微尺度通道内的流动稳定性和换热特性进行了探索.研究发现,在近临界区域内由于流体较强的膨胀特性和较低的热扩散特性,在微尺度几何条件下会产生瞬态不稳定的漩涡流动.该种条件下微尺度对流换热和混合效率都得到了大幅提高.进一步,研究针对微尺度局部稳定性演化进行了机理分析并应用了参数估计,总结获得了微通道内近临界流体瞬态换热和混合的基本特性.     

Unsteady Slip Flow and Heat Transfer Analysis of Oldroyd-B Fluid Over the Stretching Wedge北大核心CSCD

研究了在速度滑移现象存在下,上随体Oldroyd-B流体绕加热的楔形体的非稳态流动。采用松弛-延迟热通量模型,模拟了传热过程和热延迟时间对传热的影响,通过考虑浮升力、热辐射和对流换热边界条件,进一步研究了流动及传热特性。利用同伦分析方法获得常微分方程组的近似解析解,发现滑移参数的增大可以促进流体的流动,以及流体的温度随热辐射参数增大而升高。此外还发现,温度场在热松弛时间和热延迟时间中出现相反的变化趋势。     

纳米流体在非线性伸展面上粘性流动及其热交换时的相似解

当含金属颗粒的粘性流体(即纳米流体)流过非线性伸展平面时,分析其边界层流动及其热交换.假设伸展速度是到原点距离的幂函数.将偏微分的控制方程及其相应的边界条件,简化为耦合的非线性常微分方程及其相应的边界条件.数值地求解所得到的非线性常微分方程.讨论了各相关参数(即Eckert数Ec,纳米颗粒的固体体积率和非线性伸展参数n)对问题结果的影响,并与先前文献所报道的结果进行了对比.研究了不同类型的纳米颗粒.发现纳米流体的流动特性随着纳米颗粒类型的改变而变化.     

纳米流体在粘性耗散和Newton传热组合影响下的Sakiadis流动分析

就两类以水为基本流体的Newton纳米流体:内含金属颗粒铜(Cu),或者非金属颗粒二氧化钛(TiO2),研究粘性耗散和Newton传热对移动平板边界层流动的组合影响.利用相似变换,将偏微分的控制方程转换为常微分方程组,并用Runge-Kutta-Fehlberg法和打靶法,对其进行数值求解.由此得到结论,随着纳米颗粒体积分数和Newton传热的增加,移动平板表面的热交换率也增加,但是,随着Brinkmann数的增加,移动平板表面的热交换率反而减小.此外,纳米工作流体Cu-水的移动平板表面热交换率,高于纳米工作流体TiO2-水.     

热泳和Brown运动对太阳能辐射下热分层纳米流体边界层流动的影响

在太阳辐射下的纳米流体中,数值地研究竖向延伸壁面具有可变流条件时的层流运动.使用的纳米流体模型为,在热分层中综合考虑了Brown运动和热泳的影响.应用一个特殊形式的Lie群变换,即缩放群变换,得到相应边值问题的对称群.对平移对称群得到一个精确解,对缩放对称群得到数值解.数值解依赖于Lewis数、Brown运动参数、热分层参数和热泳参数.得到结论:上述参数明显地影响着流场、温度和纳米粒子体积率的分布.显示出纳米流体提高了基流体热传导率和对流的热交换性能,基流体中的纳米粒子还具有改善液体辐射性能的作用,直接提高了太阳能集热器的吸热效率.     

基于球窝结构冷却通道的强化传热数值及实验研究

球窝作为一种小流阻的强化传热结构,在微型换热器中有较大的发展前景.该文采用实验与数值相结合的方法,研究层流条件下布置球窝结构的矩形通道内部的流动与换热特性,比较了不同球窝深度、不同Reynolds(雷诺)数对其强化换热特性的影响,并与光滑结构进行了对比.研究结果表明:随着Reynolds数的增加,换热效果逐渐增强.在3种Reynolds数(Re=500,1 000,1500)工况下,在球窝深度直径比在0.1~0.2之间时,球窝内部均存在流动分离且分离点位于球窝中心之前,球窝换热特性最好,与实验得出深度直径比为0.2时换热效果最好相吻合.在同一Reynolds数条件下,随着球窝深度的增加,其阻力特性逐渐降低.综合热特性随着Reynolds数的增大呈现下降趋势.     

热流体力学中的若干问题

本文初步建立了热流体力学这一新学科,系统地研究了热对流动规律的影响,提出了一些新的物理现象和原理;热加速动量变化导致通道压力降;竖通道可压缩流体自然对流中亦存在一个临界热流量;还提出了热绕流的概念、流体运动中的热斥冷吸原理和(热换器)温度场均匀性优化原理.     

等边三角形微通道内层流的流动特性和换热特性的研究

研究等边三角形截面微通道内充分发展层流的流动特性和换热特性,基于Navier-Stokes方程的基本理论,在等边三角形一边向流体加入定常热流密度时,给出了微通道内充分发展层流的速度分布和温度分布的近似解,以及微通道内充分发展对流传热的摩擦因子和Nusselt数;并通过商业软件Fluent对微通道内的流动和换热进行数值模拟,得到通道内温度和速度的数值解,进而计算得到充分发展对流传热的摩擦因子和Nusselt数;二者进行对比,结果吻合很好,验证了计算结果的正确性.     

微通道内电渗压力混合驱动幂律流体流动模拟

为了研究微通道内电渗压力混合驱动幂律流体的流动特性,建立了微通道内电渗压力混合驱动幂律流体的计算模型,其双电层电势、流体的流场分布分别由Poisson-Boltzmann(P-B)方程和Navier-Stokes(N-S)方程描述.讨论了无量纲Debye(德拜)参数K、壁面ζ*电势和幂律指数n对流体流动特性和Poiseuille数的影响.结果表明,当压力梯度与外加电场方向一致(Γ0)时,剪切变稀流体的速度大于剪切变稠流体;压力梯度与外加电场方向相反(Γ0)时,结果相反.Poiseuille数是无量纲Debye常数K、壁面ζ*电势和幂律指数n的增函数.     

异质材料有限长微通道电渗流热效应

采用数值方法,分析有限长PDMS/玻璃微通道电渗流热效应．数值求解双电层的Poisson-Boltzmann方程,液体流动的Navier-Stokes方程和流-固耦合的热输运方程,分析二维微通道电渗流的温度特性．考虑温度变化对流体特性（介电系数、粘度、热和电传导率）的反馈效应．数值结果表明,在通道进口附近有一段热发展长度,这里的流动速度、温度、压强和电场快速变化,然后趋向到一个稳定状态．在高电场和厚芯片的情况下,热发展长度可以占据相当一部分的微通道．电渗流稳定态温度随外加电场和芯片厚度的增加而升高．由于壁面材料的热特性差异,在稳定态时的PDMS壁面温度比玻璃壁面温度高．研究还发现在微通道的纵向和横向截面有温度变化．壁面温升降低双电层电荷密度．微通道纵向温度变化诱发流体压强梯度和改变微通道电场特性．微通道进流温度不改变热稳定态的温度和热发展长度．     

朝向产热或吸热伸展平面的MHD驻点流动

分析了微极流体朝向加热伸展平面的磁流体动力学(MHD)驻点流动,考虑了粘性耗散和内部产热/吸热对流动的影响.讨论了指定表面温度(PST)和指定热通量(PHF)两种情况,采用同伦分析方法(HAM)求解边界层流动和能量方程.通过图表的显示,研究了感兴趣物理量的变化.注意到高伸展参数时解的存在与外加应用磁场密切相关.     

矩形微通道散热器流道的数值模拟及尺寸优化

微通道散热器具有体积小、流速小、压降小、散热高等优点,随着工业微型化的发展,微型散热器的应用越来越广泛.已有的研究表明,微通道的散热性能主要决定于微通道的几何参数和流体的流动情况,相对于三角形和梯形结构,矩形微通道具有更好的散热性能.基于ANSYS Workbench有限元软件,对长度为40 mm,不同截面尺寸的单通道内流体流动及传热性能进行了数值模拟,给出具有较小压降、较大散热效率的微通道尺寸.对优化后的模型计算分析,在一定流体流速和温度的初始状态下,基底给一定热通量,经过计算,散热器可运输的热通量较高,压降较低,热传递效率较大,散热器具有良好的工作性能.     

针对蒸发弯月面附近微颗粒运动的数值模拟

蒸发弯月面附近存在复杂的流动结构.该文建立数值模型以精确模拟蒸发弯月面附近的传热传质过程并描绘液体中微小颗粒的运动轨迹.一方面,将弯月面上的蒸发、气相中的蒸汽扩散以及蒸发导致的界面冷却效果耦合求解.同时利用离散元方法(DEM)对颗粒在流体中的运动及其对流场的反作用进行耦合求解.通过与实验对比,该计算方法能够准确地描述弯月面附近的微颗粒运动轨迹.     

矩形微通道热沉内单相稳态层流流体的流动与传热分析

采用解析方法分析了矩形微通道热沉内单相稳态层流流体的流动与传热．基于y方向流速和导热不变的假设,建立流体在矩形微通道内流动的流速方程和传热的温度方程,进而推导出Nusselt数和Poiseuille数的理论表达式．通过计算结果可以看出,推导的Nusselt数和Poiseuille数的解析解与其他文献的结果吻合较好,而且当宽高比趋于无穷大时,Nusselt数和Poiseuille数分别趋近于8.235和96,这与其他文献结果完全相同．在Reynolds数相同时,摩擦因数随着宽高比的增加而增加,而在相同宽高比时,摩擦因数随Reynolds数的增加而减小．     

高弹粘流在三维变厚度狭缝流道中流动的数值模拟

用有限块法对高弹粘流在三维变厚度狭缝流道中的流动进行数值模拟.求出流体流量在流道中的分布规律;通过对实际板材挤出模鱼尾型流道中设置阻流块对流动影响的计算,证实有限块法是简易可行的,从而为挤出模的计算机辅助设计提供了一个重要手段.     

柔性圆柱形微管道内的电动流动及传热研究

研究了在纯压力驱动下,流体通过壁面带有某种电荷的聚电解质层（PEL）的微管道，即柔性微管道的电动流动和热传输特性.基于先前得到的电势和速度的解析解以及流向势的数值解,在热充分发展的情况下, 假设壁面热流恒定,利用有限差分法求解了包括黏性耗散和Joule(焦耳)热影响下的能量方程，获得了无量纲温度数值解.通过数值计算，给出了相关的无量纲参数对速度、温度以及Nusselt(努赛尔)数的影响.研究表明,当其他参数固定时,无量纲速度和温度随着无量纲聚电解质层厚度d的增大而减小,随着聚电解质层中等效双电层厚度与双电层厚度之比K_λ的增大而增大；Nusselt数随着Joule热系数S的增大而减小,随无量纲聚电解质层厚度d的增大而减小,随着K_λ的增大而增大.     

热传导的微极固体和流体介质界面上波的传播

研究微极广义热弹性固体半空间和热传导微极流体半空间界面上波的传播.讨论微极广义热弹性固体半空间和热传导微极流体半空间之间平面界面上,斜向入射平面波的反射和透射现象.假设入射波穿过微极广义热弹性固体,射向平面界面后传播.得到了封闭形式的、不同反射和透射波的波幅比,它们是入射角、频率的函数,并为介质的弹性性质所影响.对一些特定的类型,显示出微极和热松弛对波幅比的影响.还从本文的研究中推演出一些早期工作的结果.     

电渗流中传热传质过程与熵的分析

在壁面存在恒定热通量条件下,分析微通道内电渗流中传热传质过程与熵的生成.建立数值计算模型,分别采用Poisson-Boltzmann方程、Navier-Stokes方程、Nernst-Planck方程和能量方程来描述微通道内双电层电势、流场、离子浓度和温度的分布情况.引入熵产生,进一步研究不同流动参数对流体传热过程的作用,讨论不同流动参数下各热效应的变化规律,并具体分析热效应参数对流体总熵增加及各部分热效应对总熵比重的影响.结果表明,动电参数与Joule(焦耳)热系数的增大会使得传热性能减弱,动电参数对传热性能影响更为明显;流体的总熵为动电参数、传质系数和质量弥散系数的增函数.     

求解粘性流体和热迁移联立方程的迎风局部微分求积法

微分求积方法(DQM)已成功地应用于数值求解流体力学中的许多问题．但是已有的工作大多限于正规区域的流动问题,同时缺少用迎风机制来描述流体流动的对流特性．该文对一个不规则区域中的不可压缩层流和热迁移的耦合问题给出了一种具有迎风机制的局部微分求积方法,对通过边界和坐标不平行的收缩管道中的流体,只用少数网格点得到了比较好的数值解．和有限差分方法（FDM）相比较,这一方法具有计算工作量少、存储量小和收敛性好等优点．     

微极流体向受热面的MHD驻点流动

分析了有均匀横向磁场作用时,导电微极流体垂直冲击受热面时形成的二维驻点流动问题．应用适当的相似转换,将连续、动量、角动量及热量的控制方程,及其相应的边界条件,简化为无量纲形式．然后,利用以有限差分离散化为基础的算法,求解简化了的自相似非线性方程．用Richardson外推法,进一步求精其结果．以图表形式表示磁场参数、微极性参数、Prandtl数对流动和温度场的影响,说明了其解的重要特性．研究表明,随着磁场参数的增大,速度和热边界层厚度变小了．与Newton流体相比较,微极流体的剪应力和传热率出现明显的减少,这对聚合物生产过程中流体的流动和热量控制是有益的．