高超声速条件下7°直圆锥边界层转捩实验研究

在Ma=6低噪声风洞中开展了半锥角7?的直圆锥边界层转捩相关实验研究.利用响应频率达到MHz量级的高频压力传感器对圆锥壁面脉动压力进行了测量,研究了高超声速圆锥边界层中扰动波的发展过程.结果表明:高超声速圆锥边界层中第二模态扰动波产生的位置以及扰动波特征频率和波长等参数受雷诺数影响较大,当单位雷诺数从2×106m~(-1)增加到8×106m~(-1)时,第二模态波的特征频率从55 k Hz增加到226 k Hz;随着单位雷诺数增加,边界层中扰动增长速度加快,第二模态波出现在圆锥表面更靠近上游的位置;相同单位雷诺数条件下,随着第二模态波的向下游传播,其特征频率逐渐减小.通过对比发现自由来流湍流度对边界层中扰动波的发展同样有较大影响,自由来流湍流度降低,边界层中的第二模态波的特征频率明显减小.利用互相关分析得出第二模态扰动波在边界层中的传播速度大约为当地主流速度的0.8—0.9倍.在1?小攻角条件下,圆锥迎风面和背风面边界层发展呈现出明显的差异,背风面边界层中扰动发展提前,第二模态波出现在更靠近上游的位置,而迎风面中扰动发展受到抑制,第二模态波特征频率更大.     

水流经垂直多孔介质同心套管的传热实验研究

本文报道了水向上流经垂直多孔介质同心套管混合对流的传热实验装置和进口段对流换热的实验结果.内装多孔介质的同心套管内热边界层的发展不同于空同心套管,多孔介质对流动的“扰动”明显地影响传热,在热边界层发展段的自然对流影响较大,且随着热边界层的发展其影响逐渐减小.     

方腔内竖直板混合对流换热的数值模拟

对方腔内竖直板的层流混合对流换热进行了数值模拟.结果表明,竖直板处于水平方向两个不同位置时,竖直板背风面的混合对流换热量大于纯自然对流换热量.送风口高度比取0.667、0.767时,竖直板背风面的混合对流换热量大于纯自然对流换热量.当送风口高度比为0.167～0.467、0.767～0.867区间内,流动与换热得到定常解.在送风口高度比大于0.467小于0.767范围内,流动与换热为非定常解.     

正交梯度下双扩散对流的数值模拟

本文采用有限单元法求解涡量、流函数、能量和组分控制方程,数值模拟了在温度梯度和浓度梯度正交情况下竖直环形容器内的双扩散对流结构。通过改变浮升力比N=GrS／GrT和Le数的大小,分析了溶质浮升力方向及其大小和Le数对容器内双扩散对流的影响。结果表明:当溶质浮升力改变时,壁面处的流体流动状况、边界层厚度、Nu数和Sh数都发生了变化;随着Le数的增大,竖直壁面处Nu数逐渐降低而水平壁面处的Sh数逐渐增大。     

自然对流状态下深冷竖直平板霜层导热系数实验研究

利用设计的竖直平板结霜实验台,对自然对流状态下竖直平板表面非稳态结霜过程进行了动态描述,分析了霜层厚度变化规律,描述了湿空气在竖直平板附近的流动状态及温度分布。基于实验观测,把竖直平板非稳态结霜过程分为沿平板法线方向增厚和沿平板切线方向推进两个阶段。利用最小二乘法,拟合了竖直平板霜层导热系数在推进阶段随推移距离的关系式。通过反复实验,不断完善数据,可使拟合结果具有更高的适用性,也为工程设计提供依据。     

底部局部加热多孔介质自然对流传热的格子Boltzmann模拟

运用格子Boltzmann方法研究了底部局部加热多孔介质方腔的自然对流传热.方腔的上壁面为低温热源,下壁面为局部高温热源,左右壁面为绝热条件.重点分析了高温热源位置a及尺寸b对多孔介质方腔自然对流传热性能的影响,提出了平均Nusselt数Nu和位置a及尺寸b的拟合关系式.研究结果表明:高温热源位置及尺寸对多孔介质方腔内自然对流传热性质的影响很大,且存在最佳高温热源位置(a=4/16)和尺寸(b=0.75),以达到最强的对流换热强度(Nu_(max)≈10.35)和最大的对流换热量(Q_(max)≈5.69).     

自然对流型PCR芯片的热分析与设计

在分析了现有自然对流型PCR芯片的热性能的基础上,提出了采用薄圆盘腔体内Rayleigh-Benard对流实现PCR过程,并通过数值模拟研究了几何尺寸对自然对流稳定性的影响以及腔体内不同位置处流体温度随时间的变化。模拟结果表明通过几何尺寸的优化能够实现稳定的Rayleigh-Benard对流和PCR过程。     

局部热壁面多孔介质方腔内自然对流的数值研究

本文对上下壁面绝热、左侧壁面长度为b的嵌装加热器部分维持恒定温度T_h而剩余部分绝热,且右侧壁面维持恒定温度T_c的多孔介质方腔内的自然对流换热进行了数值研究.在热壁面无量纲长度B=0.5(B=b/L)的条件下,综合研究了左侧壁面受热部分中心距上壁面的无量纲长度D(D=d/L)、Da数、Ra数和孔隙率对腔体内自然对流换热的影响.数值计算结果表明,左侧壁面受热部分位置的不同对腔体内自然对流换热有很大的影响,D在0.6附近取值时,Na数最大.Da数、Ra数对腔体的自然对流换热影响较大,而孔隙率对换热的影响较小.     

激光聚焦扰动作用下高超声速边界层稳定性实验研究

在马赫数6、单位雷诺数3.1×10⁶/m的条件下对半锥角7°直圆锥边界层稳定性开展了实验研究.以激光聚焦于流场中局部空间而产生的膨胀冲击波作为人工添加的小扰动,分析了该扰动对高超声速圆锥边界层流动稳定性的影响.实验中利用响应频率达到兆赫兹量级的高频压力传感器对圆锥壁面脉动压力进行测量,通过对压力数据进行短时傅里叶分析和功率谱分析发现,相比于不添加激光聚焦扰动的结果,添加激光聚焦扰动使边界层中第二模态波的出现位置提前,且扰动波的幅值大幅度地增加,在相同的流向范围内,激光聚焦扰动将边界层中的扰动波从线性发展阶段推进到非线性发展阶段,其对边界层中扰动波发展的促进效果明显.同时,激光聚焦位置的不同对边界层中扰动波的发展也具有不同的影响.当激光直接聚焦于圆锥壁面X=100 mm位置时,边界层中频率为90 kHz的扰动波幅值增长最快,在X=500 mm的位置处其幅值放大倍数为3.81,相比而言当激光聚焦位置位于圆锥前方自由来流中时,边界层幅值增长最快的扰动波频率大幅减小为73 kHz,相同范围内,其幅值放大倍数为4.51倍.由此可见,当激光聚焦位置位于圆锥上游的自由来流中时,其对边界层中扰动波的影响更为显著.     

切向气流对激光加热材料的影响

 在重复频率YAG激光加载下，研究了30CrMnSiA钢片分别处于空气自然对流和切向强迫气流环境中不同的温度响应。实验用红外热像仪对靶前表面的温度进行了实时诊断，结果表明，在激光作用下，靶材的温升与靶前表面的对流换热状况有较大的关系，当靶面存在马赫数为0.1左右的切向气流时，材料的温升曲线明显低于靶处于空气自然对流环境下的温升曲线，气流与靶面的对流换热使得材料的激光加工所需能量或功率增加。这与应用热边界层换热动力学理论得到的结论一致。     

Radiative effects on magnetohydrodynamic natural convection flows saturated in porous media

A boundary layer solution is presented to study the effects of joule heating on magnetohydrodynamic natural convection flow. The Rosseland approximation is used to describe the radiative heat flux in the energy equation. Four different cases of flows have been studied namely an isothermal surface, a uniform heat flux surface, a plane plume and flow generated from—a horizontal line energy source a vertical adiabatic surface. Numerical results presented for the perturbation analysis four boundary conditions with various parameters are tabulated.     

Heat and mass transfer on unsteady three-dimensional convective MHD flow past a porous plate moving in a parallel free stream

The unsteady three-dimensional convective flow of a viscous incompressible, electrically conducting fluid over a vertical, insulated, porous surface moving in a parallel free stream has been investigated, which flows belong to a separate class of problem of boundary layer theory. The effects of heat and mass transfer on this unsteady laminar flow past porous surface with transverse sinusoidal suction and oscillatory wall temperature have been analysed and discussed.     

模拟的对流边界层光学湍流的特征尺度分析

边界层作为地面与自由大气的过渡带对人类活动影响很大。边界层湍流结构尤其是夹卷层的湍流特征,是边界层研究的一个重要方面,这对于加深对边界层的认识以及研究边界层参数化具有十分重要的意义。由于边界层上部位置较高,难以进行精细结构观测。在室内对流水槽(150cm×150cm×60cm)中模拟了大气对流边界层的发生发展。将准直光通过模拟对流边界层得到光斑图像数据。利用改进协方差法对光斑图像进行功率谱分析,找出功率谱密度最大值所对应的频率即峰值频率,峰值频率对应的波长为涡的特征尺度。研究结果表明,在混合层,峰值波长较小,说明此处混合比较均匀,小尺度结构占主导地位。而夹卷层的峰值波长较大。夹卷层的平均峰值波长与对流Richardson数存在一定的关系,这种关系受下垫面类型以及对流状况的双重影响。     

黑腔冷冻靶传热与自然对流的数值模拟研究

惯性约束聚变的设计要求在靶丸内形成均匀光滑的氘氚冰层, 靶丸周围的热环境对冰层的质量特别是低阶粗糙度有很大的影响. 本文对自主研发的黑腔冷冻靶实验装置中的热物理问题展开了数值模拟, 重点考察了黑腔冷冻靶的传热和流体力学特性. 通过参数分析得到了自然对流对靶丸温度均匀性产生影响的临界条件. 比较了黑腔不同布置朝向时的流场和温度分布, 结果显示黑腔水平布置时自然对流更加强烈, 造成的靶丸温度不均匀性也更大. 在此基础上, 讨论了消除自然对流影响的可能性, 结果发现仅当黑腔垂直布置时利用黑腔分区方法能够消除对流效应对靶丸温度不均匀性的影响而黑腔水平布置时不能消除. 研究结论对于实验中冷冻靶结构的设计、改进和实验的开展等具有指导意义.     

含内热源可燃多孔介质热量传递及影响因素分析

本文模拟了自然对流及恒壁温边界条件下含内热源可燃填充床内最高温度随时间的变化;计算了侧面和端面取不同换热系数时填充床内的温度分布;分析了对流换热系数、堆积状态等对床内最高温度的影响。计算结果表明:各边界取不同换热系数时对最高温度的影响不大;在环境温度低于383．15 K,或壁面温度低于381．15 K的条件下,多孔床不会发生自燃。对流换热系数较大、堆积密度较小时多孔床也不易自燃。     

Convective flow past a vertical plate under the influence of magnetic field and thermal radiation subjected to a variable surface temperature in the presence of heat source/sink

In the present analysis, a numerical study is performed to examine the heat transfer characteristics of a convective flow over a vertical plate under the combined effects of magnetic field and thermal radiation in the presence of heat source/sink. The surface of the plate is subjected to a variable surface temperature. The boundary layer equations governing the flow are reduced to non-dimensional equations valid in the free convection regime using the suitable non-dimensional parameters. The dimensionless governing equations are solved by an implicit finite difference method of Crank—Nicolson type which is fast convergent, more accurate and unconditionally stable. Numerical results are obtained and presented for velocity, temperature, local and average wall shear stress, local and average Nusselt number in air. The present results are compared with the results available in the literature and are found to be in an excellent agreement.     

Clustering of plumes in turbulent convection

Turbulent Rayleigh-Bénard convection produces fields of intense updrafts and downdrafts that are responsible for much of the vertical heat transport. These structures, called plumes or thermals, have horizontal scales comparable to the thicknesses of the boundary layers in which they arise. In the three-dimensional numerical simulations reported here, we have observed that convective plumes organize themselves into clusters with horizontal scales that grow with time and reach the width of the computational domain. In this two-scale process, kinetic energy is transferred mainly to low horizontal wave numbers while the sizes of individual plumes remain on the scale of the boundary layer thickness.     

Visualization of turbulence structure in unsteady non-penetrative thermal convection using liquid crystal thermometry and stereo velocimetry

Temperature and velocity fields in unsteady non-penetrative turbulent thermal convection of a horizontal fluid layer are measured in horizontal and vertical planes simultaneously using the combined liquid-crystal thermometry and stereo particle image velocimetry (PIV) with high spatial and temporal resolution. The result shows the formation of convection pattern across the fluid layer, which originates from the spoke structure over the heated surface. The upward fluid motion is generated from the intersection of the bursting lines of the spoke structure, while the downward motion is induced by the low temperature fluid directing toward the center of the spoke structure. Thus, the large-scale convective motion is produced in the fluid layer through the motion of spoke structure. The POD analysis of the temperature and velocity eigenfunctions shows the existence of large-scale motion in the fluid layer, which supports the observed convection pattern near the heated boundary and in the middle of the fluid layer.