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。     

微通道中压力驱动Poiseuille流数值分析

采用26阶矩方程方法对稀薄气体在平板微通道与微圆通道中压力驱动的Poiseuille流动进行数值分析,获得稀薄气体在微通道内的速度分布、压力分布规律。数值分析结果表明:气体压力在微通道中沿主流方向呈非线性分布,且非线性程度随Kn数的增大而减小,分布趋势随Kn数的改变产生微小的变化;随Kn数的增大,微圆通道中气体沿径向速度分布出现双峰现象。研究结果与DSMC方法及格子-Boltzmann方法对比符合较好。     

粗糙度与气体稀薄性对微尺度流动特性的影响

对氮气和氦气在粗糙微通道以及光滑微通道内流动进行了阻力特性实验研究。实验结果表明,即使在较小的相对粗糙度高度下,由于微通道中的粗糙度分布密集,会极大地增加流动阻力,这是导致文献中微通道流动阻力系数实验值相互偏差的主要原因之一;而对于滑移区的气体流动,气体稀薄性使流动阻力明显减小而导致流量增加。     

复杂微通道内气泡在浮力作用下上升行为的格子Boltzmann方法模拟

本文采用气-液两相流格子Boltzmann方法模拟了复杂微通道内气泡在浮力作用下的上升过程,主要研究障碍物表面润湿性、浮力大小、障碍物尺寸和气泡初始位置对气泡变形、分裂、合并的动力学行为以及对气泡上升速度、终端速度和气泡剩余质量的运动特性的影响.研究发现,障碍物表面接触角较小时气泡能够完整地通过障碍物通道,随着障碍物表面接触角增加,气泡通过障碍物通道时严重变形,并会发生分裂行为,使得部分气泡黏附在障碍物表面,从而导致气泡到达终端时质量减少.相应地,气泡上升速度以及终端速度也随着微通道表面接触角的增加而减小.另一方面,随着浮力的增加,气泡在上升过程中更容易发生分裂和合并现象,且气泡剩余质量和终端速度随着浮力的增加呈对数形式增加.此外,随着微通道障碍物半径增加,气泡剩余质量首先缓慢减小然后快速减小,而气泡终端速度近似呈线性减小.最后,数值结果还表明当气泡初始位置偏离管道中间时,其上升速度、气泡剩余质量以及气泡终端速度都与初始位置在管道中间时的变化趋势一致,然而对应的数值均减小,且气泡在上升过程中变形更严重.     

压缩性和稀薄性对微通道气体流动换热的影响

本文对于微通道内稀薄气体二维可压缩滑移流动建立了数学模型,采用连续介质流动控制方程与壁面速度滑移和温度跳跃边界条件相组合描述该问题,并利用SIMPLE算法求解,所得结果与文献进行了对比,在相同条件下得到了较高的一致性.文中利用该计算模型的计算结果分析了气体的压缩性和稀薄性对微通道气体流动的影响,结果表明在所计算工况下稀薄性的影响更大。     

镁颗粒-空气混合物一维非稳态爆震波特性数值模拟研究

镁颗粒因其能量密度高、点火特性和燃烧效率好的优势,作为燃料或添加剂应用于爆震燃烧动力系统具有广阔的应用前景.本文建立了镁颗粒-空气混合物的一维非稳态爆震波模型,数值模拟爆震波传播过程及其内部流场分布.研究结果表明,爆震波传播过程中爆震波压力峰值和空间分布均存在小幅度波动.考虑燃烧产物氧化镁在颗粒表面的沉积过程,镁颗粒的反应速率和爆震波的稳定传播速度增大.在考虑爆震管壁面损失的前提下,随管径减小,爆震波稳定速度和厚度均减小,同时爆震波内未能反应的镁颗粒比例增大.考虑壁面损失条件下,爆震波稳定传播速度以及厚度均随颗粒初始粒径的增大而减小,且镁颗粒初始为双粒径分布时对应的爆震波速度和厚度明显低于镁颗粒初始为统一单粒径的工况;稳定传播速度随颗粒初始当量比的增大而先增后减,厚度随初始当量比的增加单调递减. MgO熔化发生在CJ平面附近时, MgO熔化过程对爆震波传播稳定性无明显影响,而爆震波厚度显著增大.选取适当的点火区参数,能够使爆震波达到稳定传播状态所经历的距离明显缩短.     

直接模拟蒙特卡罗方法在微通道流动模拟中的应用

直接模拟蒙特卡罗方法是一种求解稀薄气体流动换热新的数值方法。本文采用该方法对Kn数跨越速度滑移区和过渡区的三个微通道内的流动进行了数值模拟,给出了通道内速度、压力及局部阻力系数的变化曲线.为了表明通道横纵比对流动的影响,还对每个算例在不同的横纵比下进行了比较。结果表明,微通道内的流动特性不仅与Kn数有关,而且与通道的横纵比也有很大的关系。     

微通道内给定壁面热流的气体换热研究

本文利用实施给定热流边界条件的DSMC方法,对短通道内给定壁面热流边界条件下的气体换热情况进行了模拟.结果表明,壁面热流密度增大导致通道内压力分布非线性程度增加.随着热流密度的增大,截面速度分布趋于平缓,滑移速度增大.给定热流密度的通道壁面温度与气流截面平均温度的差值沿程增大,温度梯度沿程下降,气体稀薄性增大时,通道换热减弱.     

方形颗粒在黏弹性流体中的沉降特性

采用有限元任意拉格朗日-欧拉(ALE)法对方形颗粒在黏弹性流体中的沉降特性进行研究。通过直接数值模拟得到了不同弹性数下方形颗粒的稳定取向角的变化情况,并讨论了颗粒长宽比和通道宽度对其沉降特性的影响。结果表明,当方形颗粒在黏弹性流体中沉降时,弹性数存在一个临界值。当弹性数小于临界值时,颗粒的稳定取向为长轴方向垂直于重力方向;当弹性数大于临界值时,颗粒的稳定取向为长轴方向平行于重力方向。颗粒长宽比和通道宽度对其沉降特性都有一定的影响。长宽比大的颗粒在沉降过程中的取向角和横向漂移的振幅更大。弹性数的临界值随着长宽比的增大而减小,随着阻塞比的增大而增大。     

微管道气体流动的蒙特卡洛直接模拟

采用蒙特卡洛直接模拟(DSMC)方法,数值模拟了微管道中压力驱动的气体流动,结果表明固壁边界存在速度滑移,稀薄气体效应明显;整个流场温度变化很小,流动马赫数很小,密度、压力流向变化非常大而横向几乎不变;可压缩性导致压力随流向的非线性分布,但这种效应随Knudsen数增大而减弱.     

溶解椭圆颗粒沉降的介观尺度数值模拟

在任意拉格朗日欧拉(ALE)算法模拟有热对流影响的颗粒两相流动的直接数值模拟基础上, 通过建立颗粒溶解速度和颗粒表面热流密度的关系, 对溶解的椭圆颗粒在垂直管道内牛顿流体中的沉降进行了直接数值模拟. 计算结果表明:与等温惰性椭圆颗粒沉降相比, 流体的对流运动、颗粒质量以及形状的变化等因素使溶解的椭圆颗粒在不同初始角度沉降时, 颗粒沉降动态尾迹、颗粒受力、颗粒沉降速度等都发了较大变化.     

Simulation study on cavity growth in ductile metal materials under dynamic loading

Cavity growth in ductile metal materials under dynamic loading is investigated via the material point method. Two typical cavity effects in the region subjected to rarefaction wave are identified: (i) part of material particles flow away from the cavity in comparison to the initial loading velocity, (ii) local regions show weaker negative or even positive pressures. Neighboring cavities interact via coalescence of isobaric contours. The growth of cavity under tension shows staged behaviors. After the initial slow stage, the volume and the dimensions in both the tensile and transverse directions show linear growth rate with time until the global tensile wave arrives at the upper free surface. It is interesting that the growth rate in the transverse direction is faster than that in the tensile direction. The volume growth rate linearly increases with the initial tensile velocity. After the global tensile wave passed the cavity, both the maximum particle velocity in the tensile direction and the maximum particle velocity in the opposite direction increase logarithmically with the initial tensile speed. The shock wave reflected back from the cavity and compression wave from the free surface induce the initial behavior of interfacial instabilities such as the Richtmyer-Meshkov instability, which is mainly responsible for the irregularity in the morphology of deformed cavity. The local temperatures and distribution of hot spots are determined by the plastic work. Compared with the dynamical process, the heat conduction is much slower.     

激光熔覆中金属粉末粒子与激光相互作用模型

为了对同轴激光熔覆过程中运动的金属粉末粒子的速度和温度进行理论分析,并研究各工艺参量的影响,建立了运动中金属粉末粒子的运动模型和热模型.模拟结果表明,粉嘴几何尺寸、粒子直径以及气/粉两相流初始速度是影响粒子运动行为的重要因素;粉嘴几何尺寸、激光焦点位置、激光发散角、激光功率、粒子直径以及气/粉两相流初始速度是影响粒子热行为的重要因素.在相同的工艺参量下(粉嘴出口内径r=2 mm,粉嘴倾角α=60°,初始气流速度v0=0.8 m/s),基于数字粒子图像测速(DPIV)技术,对316L不锈钢粉末粒子运动模型进行了实验验证.结果表明,运动理论模型是可靠的.该模型是掌握同轴激光熔覆过程中金属粉末粒子运动行为的有效工具;同时,热模型也是分析粉末粒子温度随不同参量变化的重要工具.     

On the orientational characteristics and transport coefficients of an oblate spheroidal hematite particle in a simple shear flow

We have developed the basic equation of the orientational distribution function of oblate spheroidal hematite particles with rotational Brownian motion in a simple shear flow under an applied magnetic field. An oblate spheroidal hematite particle has an important characteristic in that it is magnetized in a direction normal to the particle axis. Since a dilute dispersion is addressed in the present study, we have taken into account only the friction force (torque) whilst neglecting the hydrodynamic interactions among the particles. This basic equation has been solved numerically in order that we may investigate the dependence of the orientational distribution on the magnetic field strength, shear rate and rotational Brownian motion and the relationship between the orientational distribution and the transport coefficients such as viscosity and diffusion coefficient. We found that if the effect of the magnetic field is more dominant, the particle inclines in such a way that the oblate surface aligns in the magnetic field direction. If the Peclet number increases and the effect of the shear flow becomes more dominant, the particle inclines such that the oblate surface tilts in the shear flow direction. The viscosity due to the magnetic torque is shown to increase as the magnetic field increases, since the magnetic torque due to the applied magnetic field becomes the more dominant effect. Moreover, the viscosity increase is shown to be more significant for a larger aspect ratio or for a more oblate hematite particle. We have applied the analysis to the problem of particle sedimentation under gravity in the presence of a magnetic field applied in the sedimentation direction. The particles are found to sediment with the oblate surface aligning more significantly in the sedimentation direction as the applied magnetic field strength increases.     

双颗粒在溶解条件下沉降的多相流动特性

对牛顿流体内溶解双颗粒在垂直管道中的沉降运动进行了直接数值模拟. 流体运动由守恒方程计算, 密度和黏性的变化考虑流场温度变化的影响, 通过积分粘性应力和压力获得颗粒的受力跟踪颗粒运动, 溶解引起的相变及其形状的变化由溶解潜热、溶解质量与分散相边界处的温度梯度的关系建立的方程决定. 通过颗粒和流体间相互的作用力和力矩及边界条件的施加实现相间耦合. 对双颗粒在等温流体无溶解条件和非等温流体溶解条件下的沉降过程进行了计算. 结果表明, 在一定雷诺数内, 热对流产生的颗粒尾迹处涡的脱落以及溶解引起的颗粒质量、颗粒表面形态的变化引起了颗粒的横向摆动, 并使颗粒沉降速度发生了变化.     

冲击作用下金属表面微喷射的分子动力学模拟

利用二维分子动力学程序,结合类紧束缚杂化多体势,研究冲击载荷下金属表面包含沟槽型缺陷的微喷射动力学过程.在产生微喷射以后,结果表明材料内部传播着两种波系:反射稀疏波和二次加载压缩波,其中,反射稀疏波波面与沟槽形状相似,而二次压缩波波面随沟槽夹角的变化而变化;并形成了两个压强区:负压区和正压区,负压区的存在表明材料中可能产生微损伤.同时,统计结果表明微喷射体的速度随沟槽半角增加而增加的趋势,微喷射体的粒子数随沟槽半角增大而减少的趋势,当沟槽半角大于60°,微喷射效应消失.以上计算结果可以定性说明射流是沟槽型 关键词： 冲击波 沟槽型缺陷 微喷射 分子动力学     

驻波声场中单分散细颗粒的相互作用特性

利用外加声场促进悬浮在气相中的细颗粒发生相互作用,进而引起颗粒的碰撞和凝并,使得颗粒平均粒径增大、数目浓度降低,是控制细颗粒排放的重要技术途径.为探究驻波声场中单分散细颗粒的相互作用,建立包含曳力、重力、声尾流效应的颗粒相互作用模型,采用四阶经典龙格-库塔算法和二阶隐式亚当斯插值算法对模型进行求解.将数值模拟得到的颗粒声波夹带速度和相互作用过程与相应的解析解和实验结果进行对比,验证模型的准确性.进而研究颗粒初始条件和直径对相互作用特性的影响.结果表明,初始时刻颗粒中心连线越接近声波波动方向、颗粒位置越接近波腹点,颗粒间的声尾流效应就越强,颗粒发生碰撞所需要的时间就越短.研究还发现,颗粒直径对颗粒相互作用的影响取决于初始时刻颗粒中心连线偏离声波波动方向的程度.当偏离较小时,颗粒直径越大,颗粒发生碰撞所需要的时间越短;当偏离很大时,直径较小的颗粒能够发生碰撞,而直径较大的颗粒则无法发生碰撞.     

Geschwindigkeitsverteilung,Teilchendichte, transversale Driftgeschwindigkeit und Energiedichte des Neutralgases in der Freifallsäule unter Berücksichtigung der „Neutralgasaufzehrung”︁ durch die Ionisationsvorgänge

A neutral gas rarefaction caused by ionization processes occurs in the plasma of the low pressure gas discharges. The velocity distributions, the particle density, the transversal drift velocity and the energy density of the neutral gas are calculated both for the plane and for the cylindrical positive column under free fall conditions. The neutral gas rarefaction is taken into account. It is shown, that the velocity distributions is non-Maxwellian and anisotropic. The pressure tensor is anisotropic, too. Particle density and energy density of neutral gas decrease with increasing electron density and electron temperature relatively homogeneously over the cross section of the column. Only, if the degree of ionization is high, these densities are much smaller near the axis than at the wall. Decreasing neutral gas temperature causes a similar change in the particle density profile as increasing electron density and electron temperature do. The transverse neutral gas pressure decreases from the axis to the wall in all cases. In the steady-state column an upper limit exists for the transverse particle current density of the neutral gas and of the ion gas. This limit depends on the gas temperature, the filling pressure and the atomic mass of the filling gas. In the appendix the Boltzmann equation is given in a form, which is suitable to investigate cylindrical problems not only for simple examples.     

冲击波作用下微米尺度金属颗粒群的动力学行为

基于平面化爆驱动飞片高压加载技术和激光测速技术,研究了冲击波加载不同粒径锡颗粒群的微喷射行为以及在空气中的减速规律.实验结果表明,锡颗粒的最快喷射速度随粒径增大而显著增大.通过对微喷射形成过程的三维光滑粒子流体动力学方法数值模拟发现,大粒径锡颗粒之间存在较大的空隙结构,冲击波与空隙结构的相互作用诱导产生高速汇聚射流,空隙结构越大对应的喷射速度也越高.此外,通过研究不同粒径颗粒在复杂流场中的减速规律,进一步深化了对微喷射破碎后的颗粒尺度状态以及混合输运特性的认识.研究结果对于预测和分析冲击波加载微米颗粒群的微喷混合特性具有一定价值.     

砂粒与复杂流体压裂液在裂缝中的流动特性研究

在矩形裂缝通道中,应用高速摄像技术,研究了复杂流体压裂液水平流动过程中砂粒的沉降速度,测试了复杂流体的流变学特性,分析了复杂流体的水平流动如何影响砂粒的沉降.研究结果表明,流性指数不等于1的复杂流体,其水平流速影响砂粒的沉降规律,砂粒在裂缝中水平流动过程的沉降速度不仅随复杂流体表观粘度的减小而增大,同时随复杂流体水平流速的增大而增大,是静止沉降速度的数倍至十数倍.