粗糙微管道内液体流动特性的实验研究

利用实验方法研究了粗糙度对矩形截面微管道内液体流动阻力特性的影响，采用微观粒子图像测速技术测量了粗糙微管道内的流场结构.实验结果表明：在层流状态下，3%—7%的相对粗糙度可以导致微管道内流动阻力的明显增加，在粗糙单元附近形成的压差阻力是导致流动阻力增加的主要原因.粗糙单元还会引起微管道内的流动失稳，导致粗糙微管道内层流向湍流的转捩提前. 关键词： 微管道 粗糙度 微观粒子图像测速 转捩     

表面粗糙度的分形特征及其对微通道内层流流动的影响

基于分形几何学,研究了表面粗糙度的分形特征.采用Weierstrass- Mandelbrot函数对多尺度自仿射的表面粗糙度进行了描述;建立了微通道内层流流动的三维模型并对表面粗糙度的影响进行了数值模拟,分析了雷诺数、相对粗糙度和分形维数对流动阻力特性的影响.研究结果表明,与常规尺度通道不同,粗糙微通道的Poiseuille数不再是常数,而是随雷诺数近似线性增加;相对粗糙度越大,流动产生的回流和分离所导致的流动压降越明显.在相同的相对粗糙度下,粗糙表面的分形维数越大,表面轮廓变化就越频繁,这也将导致流动阻 关键词： 粗糙度 层流阻力系数 微通道 分形     

随机粗糙微通道内流动特性研究

采用计算流体动力学的方法, 研究了微通道内气体在速度滑移和随机表面粗糙度耦合作用下的流动特性. 其中, 利用二阶速度滑移边界条件描述气体的边界滑移, 利用分形几何学建立随机粗糙表面. 研究发现, 综合考虑二阶速度滑移边界条件和随机表面粗糙度在较大的平均Knudsen数范围内 (0.025-0.59) 得到的计算结果与实验数据符合得很好, 而一阶速度滑移边界条件只在平均Knudsen数较小时(<0.1)符合实验结果. 随机表面粗糙度对气体在边界处的滑移有显著影响, 相对粗糙度越大, 速度滑移系数越小. 并针对计算结果, 给出了滑移系数与相对粗糙度近似满足的关系. 随机粗糙表面对气体流动过程中的压强、速度、Poiseuille数也有显著影响. 关键词： 随机表面粗糙度 二阶速度滑移边界条件 分形 微通道     

微通道中液氮单相流动和换热实验研究

对直径为0.531,0.834,1.042和1.931 mm的圆形微通道内液氮的单相流动和传热进行了实验研究.在10,000～90,000的高雷诺数范围内,测量了流动摩擦系数、局部和平均对流换热系数.结果表明,流动摩擦系数随微通道壁面粗糙度的增加而变大.微通道中局部对流换热系数受到液氮导热系数变化的影响沿管程逐渐下降约12.5%.传统的Gnielinski换热关联式经过流动摩擦系数的修正后与实验换热系数符合较好.     

矩形微通道中流阻特性的实验研究

以工程上常用的66%的乙二醇水溶液作为工质,对几何特性相似而高宽比不同的4种纯铝矩形微通道内的流动特性进行了实验研究,得到了微通道冷板基础性的设计数据。实验测量了Reynolds数在50~500之间的流动阻力系数。实验结果表明:通道高度H与宽度W之比对微通道流阻特性有显著的影响;当Re数小于100时,在实验误差内,流动阻力系数的值近似等于经典理论计算值;随着Re数的增大和高宽比的变化,f的值远大于理论值,这可能是由微通道内部壁面粗糙度效应所导致的。     

粗糙微通道内气体流动的分子动力学研究

为研究粗糙度对微通道内气体流动及其边界滑移性质的影响,采用分子动力学模拟方法研究了氩气在0.1 μm铂通道内的流动,通道表面粗糙度由三角粗糙元阵列构成。气体流动的边界条件决定于2个准则数: A/λ和Kn=λ/L(其中A为壁面粗糙度、λ为气体分子的平均自由程、L为流动系统的尺度)。Maxwell基于Kn的滑移模型当A/λ<0.25时适用;A/λ<1时,气体流动存在边界速度滑移,体现出稀薄效应,A/λ≈1时为无滑移,A/λ>1时为等效负滑移.     

微通道内流体流动的阻力特性

本文重点研究了微通道内入口效应和粗糙度等因素对流动阻力特性的影响。实验结果表明;对于粗糙度3.5%,水力直径为345μm的微圆管,入口段长度比常规管道短,转捩雷诺数Re_c位于2000～2300,其内入口效应并不影响微管内流体从层流到湍流转捩的拐点位置;内径为112.6μm和169.8μm,高宽比为0.59和0.63以及粗糙分别为1.29%和2.03%的矩形微通道内流动由层流向湍流的转捩发生在Re≈1600～2800之间。实验结果表明,微尺度是微管内流体转捩提前的必要条件,但不是充分条件,拐点提前是由多因素综合作用所造成的结果,其机理有待于进一步研究。     

微通道粗糙度对甲烷催化燃烧影响的数值研究

采用详细化学反应机理对甲烷空气预混气体在不同粗糙度下微通道内催化燃烧进行了数值模拟。结果表明:粗糙度的存在使得微通道内甲烷转化率减小,出口温度降低,粗糙表面将阻碍催化反应的进行,而且粗糙度越大这种阻碍作用越大;在同一粗糙度下,随着当量比、混合气入口速度的增加,粗糙度对催化反应的阻碍作用越明显,粗糙度越大,燃烧效率越低。     

壁面效应对纳米尺度气体流动的影响规律研究

采用分子动力学方法研究了过渡区纳米通道内的壁面力场对气体剪切流动的影响规律.在纳米尺度下,壁面力场对流场的主导作用更加显著,流动物理量对于壁面条件和系统温度的变化也更加敏感.壁面原子的运动采用Einstein模型模拟,结果表明随着壁面刚度的增加,气体在近壁面区域的速度峰值减小,气体分子与壁面的动量适应性变差.壁面粗糙度通过金字塔形模型来研究,发现无论是主流区域还是近壁区域,壁面粗糙度对流动的影响都非常明显.当粗糙单元高度增大时,气体分子在壁面处的聚集现象明显,与壁面完全动量适应.本文还研究了系统温度对纳米通道流动的影响,结果表明温度的影响是全局性的,温度的升高导致整个通道内流速降低,近壁区域气体密度减小,气-固动量适应性变差.     

微通道内气体流动的DSMC方法

基于压力边界条件开展了微尺度低速流动DSMC方法的研究, 定义了两个无量纲参数作为微尺度DSMC方法下网格尺寸与时间步长的约束条件, 通过微尺度Poiseuille流进行了方法的验证与比较, 获得了网格尺寸与时间步长的一般原则。在此基础上, 对变截面的单孔和双孔模型的微通道气体流动进行DSMC模拟, 结果表明, 通道几何形状对微尺度气体流动具有显著影响, 孔口后由于通道收缩, 产生压降, 导致气流加速, 并在孔口下游拐角处发生分离; 双孔口模型的流动结构与单孔口模型相似, 且在相同压差情况下, 经双孔口后的气体流速低于经单孔口后的气体流速; 随着入口压力的增加, 经过孔口压缩后的速度越大, 分离区尺寸也越大。      

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。     

微小型粘性泵的内部流场PIV试验研究

根据偏置于两平板间转子两端剪切力不平衡的原理,本文设计加工了偏置式垂直转子微小型粘性泵,并利用PIV技术对其内部的流动进行了可视化量测.通过对试验数据进行进一步的分析,得到了其内部流场的流线分布及相关性能曲线.     

切向气流作用下玻璃纤维复合材料的激光辐照效应

实验研究了样品表面有切向空气气流、切向氮气气流和无气流时,976 nm连续激光对玻璃纤维增强E-51环氧树脂复合材料的辐照效应。结果表明:无气流时,喷出的热分解产物会对入射激光产生屏蔽作用;有气流时,激光对玻璃纤维的破坏方式是其升温熔化后再被切向气流带走;当激光功率密度较低时,切向空气气流以加强样品表面的对流冷却作用为主,不利于激光对玻璃纤维复合材料的破坏;当激光功率密度较高时,切向空气气流以降低屏蔽作用和提供氧气助燃为主,有利于激光对玻璃纤维复合材料的破坏。三种气流状态下,质量损失随功率密度呈现单调增加趋势,当入射激光功率密度在100~600 W/cm2范围内,随着功率密度的增大,激光能量的利用效率逐渐增大并趋于稳定。     

超小型粘性泵内部流场的基础研究

根据偏置于两平板间转子两端剪切力不平衡的原理,本文设计加工了偏置式垂直转子超小型粘性泵,并利用PIV 技术对其内部的流动进行了可视化量测。通过对试验数据进行进一步地分析,得到了其内部流场的流线分布及相关性能曲线。为了更好地研究其内部流动特性,本文还通过N—S方程对其内部的流动进行了数值模拟计算,并分析比较了计算和试验结果。     

Effects of thermo-physical and flow parameters on the static and dynamic burning of a cigarette

Effects of thermo-physical and operating parameters influencing the combustion of a cigarette were systematically studied using a three-dimensional first-principles-based mathematical model. Thermo-physical properties include packing density and thermal conductivity of materials forming the packed bed in the cigarette, and operating parameters include ambient oxygen concentration, air flow rate through the cigarette, and the ambient cross flow. The model was first validated with the existing experimental data which provided a satisfactory result. Increasing the ambient cross flow while increasing the burn rate and temperatures in the cigarette column, decreases the delivery of gaseous products owing to air infiltration through the paper into the column and enhances diffusion of gases out of column. Reducing the oxygen concentration reduces the burn rate to a point at which burning would be extinguished during the smoldering step. Increasing the air flow monotonically increases the burn rate, temperature and delivery of products in a burning cigarette. While thermal conductivity in the range varied here (50% above and 50% below the base case) it did not significantly affect the outcomes of the burning process; decreasing the packing density increases the heat generated and solid and gas temperatures, and decreases the delivery of some gaseous products.     

分级进风燃烧室内高温气固两相流动的PDA测量

本文建立了分级进风燃烧室高温气固两相流动的实验装置。利用三维激光粒子动态分析仪(PDA),测量了燃烧室内有气相燃烧的高温气固流动的两相瞬时速度场。得到了平均轴向与切向速度、轴向与切向脉动速度均方根值和轴向-切向脉动速度关联量的分布。     

回热器流阻对脉管制冷机稳定性的影响

由双向进气阀引起的直流流动是脉管制冷机在高温区如80K温度不稳定的根本原因.本文理论和实验研究了通过改变回热器流阻进行直流抑制的可行性.结果表明:适当增加回热器流阻,可以有效抑制直流,进一步改善双向进气脉管制冷机性能,实现在较高温区长时间稳定工作,为解决其存在的高温区性能不稳定提供了新的途径.     

水下超声速气体射流诱导尾空泡实验研究

两相射流与空化问题对采用喷气推进的水下高速运载器而言不可避免.本文通过水洞实验,探究了回转体在水流场中由亚声速及超声速气体射流诱导形成尾空泡的形态特征,发现了四种不同类型的诱导尾空泡,并探讨了相应的形成机理和控制条件.通过高速图像采集及数字处理技术,得到了不同弗劳德数和通气流量系数下诱导尾空泡的瞬时及时间平均形态.通过气体射流数值解及射流耦合空泡闭合理论模型与实验图像的对比分析,得到如下结论:根据形态特征,将观察到的射流诱导尾空泡划分为泡沫状、完整、部分破碎和脉动泡沫状四类,其中诱导产生的部分破碎尾空泡在形态上与超空泡存在明显差异,脉动泡沫状则为诱导空泡所特有;气体射流受到空泡阻挡发生回射后对应的实际通气流量系数是控制空泡形态的关键;诱导空泡类型转变可以通过Paryshev提出的射流空泡耦合模型预测,但必须在考虑射流空间结构和流动损失的前提下;进行上述修正后,诱导尾空泡形态变化规律与理论模型估算得到的实际流量系数相符合.     

Mechanical resistance of a compact nanoparticle in a gaseous medium

Resistance of fullerenes in air is investigated under standard conditions. The general problems of resistance of compact nanosized particles in gaseous media are solved at different temperatures and pressures. The resistance of the nanosized particle moving in a gaseous medium is calculated using the deterministic approach, direct methods of molecular dynamics, and main theorems of classical mechanics (including the theorem on the momenta of a particle and a particle ensemble). Theoretical results obtained are in complete agreement with the Lapple experimental data on the resistance of ultradispersed particles. Moreover, they describe well the resistance of particles having much larger sizes for which the molecular dynamics model disregarding collisions of molecules seems to be inapplicable.     

Recent contribution in color interferometry and applications to high-speed flows

Recent improvements brought to color interferometry for analyzing high-speed flows are described through different applications. First, the optical technique based on differential interferometry using a polarized white light and one or two Wollaston prisms allows to record high-speed interferograms of the flow downstream of a circular cylinder. Then, this technique has been applied to axisymmetric flows for studying an interaction between a supersonic hot jet and a coaxial supersonic flow. Another application concerns the study of hypersonic flows using Wollaston prisms with a large birefringence angle. Finally, the analysis of gaseous mixture and the evolution of two-gases interface submitted to an acceleration is presented. Interferograms analysis is made from a modeling of interference fringes versus the optical path difference which allows to easily extract quantitative information of the gas density. In order to obtain absolute measurements of the gas density, real-time holographic interferometry has been developed using a three-color laser source and a panchromatic holographic plate. The technique generates the achromatic white fringe which makes the zero order of interference fringes easy to identify. An application is presented in a 2D subsonic wind tunnel, in which the unsteady wake flow past a cylinder is recorded at high framing rate. In this optical setup, transmission holograms are used. As a conclusion, an approach is proposed to analyze the 3D flows from real-time color holographic interferometry using reflection holograms and the problems to solve are described.