气体在平行平板间微槽内的二维层流换热

在已求得贴壁层内气体粘度和导热系数变化的基础上,求解了微槽内气体完全发展的二维层流换热．得到两表面等热流、且ｑ１＝ｑ２＝ｑ以及一表面等热流、另一表面绝热条件下的温度分布和对流换热系数．     

微通道内滑移区气体-颗粒流动传热数值模拟

本文针对微通道内气粒间流动传热过程开展数值研究,所建模型中气体处理为可压缩/变物性流体,并在气固交界处采用速度滑移和温度跳跃边界条件以考虑其微尺度效应。在数值研究基础上,分析了微通道受限空间、克努森数、气体流速以及颗粒表面温度对微通道内气粒换热的影响。研究结果表明,受限空间结构将强化气粒间换热过程,颗粒表面平均传热努赛尔数随微通道气体流量增大而增大,克努森数增大以及颗粒表面温度升高都将导致颗粒表面平均传热努赛尔数减小。     

微通道内近临界流体瞬态混合与换热研究

近年来,微尺度条件下功能性流体换热与流动已经成为极具潜力和挑战性的课题,在化工、医药、传热与能源利用等系统中获得广泛应用。超临界CO_2流体作为一种天然替代性环保工质,在相关细微尺度下已证明具有良好的热力学性能。本研究采用了数值计算的方法对近临界CO_2流体在微通道内流动稳定性和换热特性进行了系列的探索。研究发现,在靠近临界点的相对较宽泛的区域内,流体具有强膨胀特性和低热扩散特性,从而在微尺度条件下产生局部旋涡流动,大大促进了微尺度的混合和对流换热效率。进一步,研究针对这种微尺度局部涡动进行了机理分析,获得了微通道内近临界流体瞬态换热和超临界热膨胀效应特性。     

硅基内肋阵列微通道内的流动和换热特性

制作了四种带有圆柱形内肋阵列的硅基微通道,以去离子水为工质对其内部流动和换热特性进行了实验研究,并与平直微通道进行了对比,分析了内肋阵列微通道中流动阻力提升和强化换热的机理。研究表明;内肋阵列带来较大阻力的同时也极大地改善了换热;流体流经内肋阵列微通道时,其阻力在低Re数下主要来自壁面效应产生的摩擦阻力,高Re数下则受绕肋产生尾涡的影响较大;不同内肋布置方式对流体流动和换热影响显著,叉排布置比顺排布置的内肋阵列微通道具有更大的摩擦因子和换热系数,且增大垂直于流动方向内肋密度更有利于增强换热;内肋排列最为紧密的微通道#2综合换热性能最好,相同泵功下,其换热热阻相对于平直微通道降低了53.4%。     

纳米硅通道内滑移现象的分子动力学模拟

采用分子动力学方法研究了水在硅通道中的流动现象。通过模拟Couette剪切流动,得到了通道中流体的速度分布,同时考察了壁面吸附气体以及壁面具有纳米结构情况下的流动。模拟表明气体层以及微结构的存在可以改变硅表面的滑移性质,进而可以通过在壁面构造纳米结构以及在通道中充入气体来改变和控制纳米通道中的流体输运。     

压力边界条件下微通道内气体流动换热特性研究

本文用直接模拟蒙特卡罗方法对给定进出口压力边界条件下微通道内气体的流动换热特性进行了数值模拟,给 出了壁面与流体的温差对气体沿程压力、温度及数密度分布的影响。计算结果表明,当壁温高于流体温度时,温差仅出现 在通道进出口处,但其发生机理却不同;流体可压缩性与稀薄性均得到增强,沿程压力分布更加非线性。     

不同纳米流体在微通道内的流动传热特性研究

采用数值模拟的方法研究了不同工质在微通道内流动传热特性的差异。对比了去离子水、纳米流体Al₂O₃/Water、CuO/Water、TiO₂/Water、Cu/Water等工质在微通道内的流动传热特性,并研究了纳米颗粒的浓度对流动换热特性的影响。结果表明：CuO/Water作为冷却工质时的对流换热系数比水增加了9.6%,微通道底面平均温度降低了2.6 K,换热性能明显优于其他几种纳米流体。由于纳米颗粒的加入,纳米流体的粘度比水大,进出口的压降比水大。纳米颗粒的体积分数越大,对流换热系数越大,纳米流体在微通道内的换热性能越好。     

R32/R134a在微通道内流动沸腾特性

研究非共沸混合工质R32/R134a(质量比,25%/75%)在水平微尺度通道内流动沸腾换热规律。在各种工况下进行了非共沸混合工质R32/R134a在水平微尺度管道内流动沸腾换热的实验,考察了质量流量G、热流密度q、质量干度x对微尺度通道内流动沸腾换热系数的影响。研究表明:在热流密度、质量流量都较低的区域,对细管道,换热系数与热流密度的关联度较大;而对微管道,换热系数受影响的因素比较多,并在干度为0.6时出现"干涸"现象,使得换热系数急剧下降。在质量流量高的区域,对细管道,热流密度对换热系数的影响很小;而对微尺度管道,当干度为0.06时换热系数发生转变,随质量干度的增加先减小后增大,热流密度增大到一定的阶段后,换热系数不再随热流密度变化。     

流动聚焦型微流控体系中的液滴的图案化排列和转变模式

流体在微流通道中形成剪切流场(低雷诺数)．不同于宏观体系,由于剪切力和表面张力的竞争作用,产生的液滴在微尺度下的微流通道中形成特殊的排列现象---周期性类似“晶格”排列现象．设计了新型流动聚焦型微流控芯片,分析研究在微流体系中液滴周期性图案化排列和转变机理性,液滴排列模式受两方面因素影响：水油两相的流速比值和微通道尺寸．当微通道宽度为250或300 μm时,液滴形成单层分散,双层和单层挤压排列．当微通道宽度为350 μm 时,液滴会形成单层分散到三层排列到双层挤压最后到单层挤压排列．当出口通道宽度增加到400 μm时,甚至出现了液滴四层排列的现象．同时研究了各个液滴排列模式的“转变点”.     

微尺度流道内液体表观黏性系数的分子理论

在考虑分子间作用力的基础上，讨论了各向同性壁面对微流道内非极性分子液体表观黏性系数的影响，建立了考虑壁面影响的表观黏性系数分子理论公式.研究结果显示，在靠近壁面处，壁面对表观黏性系数的影响是很大的，这取决于壁面材料和流体介质的分子间作用力.随着离开壁面距离的增加，壁面对表观黏性系数的影响衰减很快.在液态氩为流体介质的条件下，壁面影响大约可涉及到第10层氩分子，即影响深度为4 nm左右. 关键词： 微尺度流道 表观黏性系数 固壁影响 分子理论     

Experimental Analysis of Gas Micro-Convection Through Commercial Microtubes

In this article, an experimental campaign devoted to analyzing the forced micro-convection features of heated gas flows through commercial stainless-steel microtubes having inner diameters of 172 μm and 750 μm is described. The experimental results obtained by heating the microtubes with an imposed uniform heat flux (H-boundary condition) at the external wall, in terms of Nusselt numbers, are compared to the predictions of the classical correlations validated for conventional pipes and to the correlations proposed for gas flows through microtubes under laminar and transitional conditions (100 < Re < 4,000). The cross-sections of the tested microtubes enabled the analysis of the effects of wall axial heat conduction on the Nusselt number. It was observed that the Nusselt number is strongly dependent on the Reynolds number in the laminar regime, and this fact is explained in the article with the effects of wall axial heat conduction and the difficulties in the experimental determination of the right exit bulk temperature of the gas flow, which cannot be ignored in the thermal analysis. The agreement between the Gnielinski correlation and the experimental Nusselt number is poor, especially for low Reynolds numbers, if one uses the average gas bulk temperature, obtained as the arithmetic mean between the inlet and outlet gas bulk temperature, in the definition of the experimental Nusselt number. On the contrary, the agreement with the Gnielinski correlation improves if the local wall-gas temperature difference near the exit of the microtube is used instead. The experimental results presented in the article demonstrate that the criteria for the design of accurate micro-convection tests can be quite different from those for the analysis of forced convection through conventional pipes.     

微细光滑管内气体的流动与传热特性研究

在评述当前微细管内流动和换热特性研究的基础上提出了需考虑流体压缩性对速度剖面的影响。可压缩流动守恒方程组的数值解结果表明：运动流体的压缩性不仅使管内平均流速增加，而且使速度剖面更加饱满，从而使局域阻力系数和换热系数增加。与此同时，尽管管道的长细比很大，亦不可能出现充分发展的速度和温度剖面。这是由于微细管道中由于阻力引起的压力降可以很大，它所引起的流动加速达较大马赫数时，压缩性对阻力系数和传热系数的影响就不能忽略。     

微型管内流动特性的实验研究

以四氯化碳作为工质,流经内径分别为0.168 mm、0.399 mm、0.799 mm不锈钢管及内径分别为0.242 mm、0.315 mm、0.520 mm石英玻璃管,测量压降与流量的关系,从而获得摩擦因子f与雷诺数Re的关系。实验结果表明, 当雷诺数Re小于1600-1800时,除内径为0.168 mm的不锈钢管外,别的内径的微管内的摩擦因子与经典层流理论值几乎一致,而内径为0.168 mm的不锈钢管由于更大的相对粗糙度(8%-10%左右),其f值比经典理论值高约5%-10% 左右。当雷诺数Re越过1800时,f的值明显偏离经典层流理论值。     

STUDIES OF THE TRANSPIRATION COOLING THROUGH A SINTERED STAINLESS STEEL PLATE

This study concerns the liquid transpiration cooling effect on thermal protection of a porous plate wall. The results indicate that the effectiveness reaches more than 95% for a very weak effusion rate, about 0.1%, that is to say 50 times weaker than that of gas effusion. The concentration profile in the boundary layer is calculated experimentally and the rate of liquid evaporated is then calculated numerically, using a model based on utilization of momentum equations in laminar flow for the boundary layer. The results of this numerical study confirm evaporation rates calculated by semi-empirical relations.     

直流纯氩层流等离子体射流的长度变化

采用主要由阴极、阳极以及介于阴极和阳极之间的中间段组成的直流非转移式电弧等离子体发生器,在大气压条件下,比较系统地研究了纯氩层流等离子体射流的长度随着弧电流、气体流量以及发生器结构而变化的规律。结果表明:层流射流的长度随弧电流和工作气流量的增加而增长;层流向湍流流动转变的临界气流量值随弧电流增大而提高;在发生器的伏安特性呈大梯度变化的情况下,射流长度随弧电流的变化幅度增大。     

超声速层流/湍流压缩拐角流动结构的实验研究

在Ma=3.0的超声速风洞中, 分别对上游边界层为超声速层流和湍流, 压缩角度为25°和28°的压缩拐角流动进行了实验研究. 采用纳米粒子示踪平面激光散射(NPLS)技术获得了流场整体和局部区域的精细结构, 边界层、剪切层、分离激波、回流区和再附激波等典型结构清晰可见, 测量了超声速层流压缩拐角壁面的压力系数. 从时间平均的流场结构中测量出分离激波、再附激波的角度和再附后重新发展的边界层的增长情况, 通过分析时间相关的流场NPLS图像, 可以发现流场结构随时间的演化特性. 实验结果表明: 在25°的压缩角度下, 超声速层流压缩拐角流动发生了典型的分离, 边界层迅速增长失稳转捩, 并引起一道诱导激波, 流场中出现了K-H涡、剪切层和微弱压缩波结构, 而超声速湍流压缩拐角流动没有出现分离, 湍流边界层始终表现为附着状态; 在28° 的压缩角度下, 超声速层流压缩拐角流动进一步分离, 回流区范围明显扩大, 诱导激波、分离激波向上游移动, 再附激波向下游移动, 分离区流动结构复杂, 相比之下, 超声速湍流压缩拐角流动的回流区范围明显较小, 边界层增长缓慢, 流场中没有出现诱导激波、K-H涡和压缩波, 流动分离区域的结构也相对简单, 但分离激波的强度则明显更强. 关键词： 压缩拐角 层流 湍流 流动结构     

圆管内插入螺旋片状多孔介质的换热性能及场协同分析

采用数值计算的方法,以水为流动介质,研究了圆管内插入螺旋片状多孔介质在充分发展的层流区的换热及流动综合性能,并与环状和圆柱状多孔介质插入物进行了对比,此外,利用场物理量协同原理对计算结果进行了分析。结果表明,在圆管内插入螺旋片状多孔介质可以有效提高换热与流动的综合性能,其PEC达到3.60～3.95.     

高温壁面润湿性对气层稳定性及其壁面滑移性能的分子动力学研究

针对流体在纳米通道的小尺度效应,采用分子动力学方法模拟了传热效应以及流体流动行为,研究在壁面温度影响下,不同润湿性壁面上方气层生成状态以及流体流动时气层的稳定特性和相应的减阻性能.结果表明:当壁面为纯疏水壁面时,不能形成气层;疏水基底+亲水组合壁面形成不规则气层;纯亲水壁面和亲水基底+疏水组合壁面能形成规则气层.当流体流动时,疏水基底+亲水组合壁面气层消失,而纯亲水壁面和亲水基底+疏水组合壁面气层较为稳定.纯疏水壁面主流区域速度较大,而纯亲水壁面主流区域最低.对于壁面滑移速度,存在气层的壁面滑移速度与纯疏水表面相对接近,甚至稍优于纯属疏水表面,而疏水基底+亲水组合壁面滑移速度最小.     

片流边界层中气流及热转移

一.基本方程之变换 沿一平面或略为弯曲边界的二维片流压缩性边界层的微分方程用通用的符號表示是:     

Effect of unsteady pressure rise on flame propagation and near-cold-wall ignition

Thermodynamic pressure rise during combustion is a key feature in internal combustion engines. Yet, hardly any studies have been conducted to investigate the effects of transient pressure rise on flame propagation as well as on the ignition of the unburned gas. In this study, the effects of unsteady pressure rise were parametrically studied using a one-dimensional reacting flow model in which the thermodynamic pressure variation is an independent variable and thus its rate of rise can be controlled. It was determined that large rates of pressure rise can significantly increase the mass burning flux of a laminar flame and that this modification becomes more pronounced at higher pressure and temperature conditions. Furthermore, it was shown that the development of ignition near a cold wall, for mixtures that exhibit negative temperature coefficient behavior, is very sensitive to rate of change of pressure. The near-wall ignition behavior was found also to be rather sensitive to the prevailing pressures and temperatures whose values control whether ignition will occur in the main-gas or within the thermal boundary layer.