微通道内不混溶气液两相二氧化碳界面动力学行为的格子Boltzmann研究

将高精度的二氧化碳状态方程与气液两相流格子Boltzmann方法中的伪势模型耦合,研究微通道内二氧化碳气液两相流动的界面动力学行为,包括二氧化碳气泡和液滴的分裂、合并、变形,以及气液两相二氧化碳在演化过程中的质量交换.研究发现：当分裂和合并行为达到平衡,并且两相之间不发生质量交换时流动达到稳态.稳态时的流型主要依赖于表面张力,惯性力,管道的润湿性,以及初始体积分数.当表面张力较大时,微通道内形成的二氧化碳气泡或液滴会收缩成圆形,此时二氧化碳气泡或液滴会堵塞微通道,形成段塞流;随着表面张力的减小,形成的气泡或液滴不容易收缩,在微通道内更容易发生变形,出现泡状流或环状流.当壁面润湿性为强疏水性时,二氧化碳在微通道中的流动为环状流,其它润湿性下,流型为段塞流.体积分数较小时,二氧化碳两相流动的流型为段塞流,体积分数较大时,流型为环状流.     

液滴撞击液膜的流热耦合界面追踪方法数值模拟

采用界面追踪方法研究蒸馏过程中液滴撞击高温薄液膜的流动和传热特性，将数值结果与解析解和实验进行比较验证模型的正确性，研究气液界面和热流分布的演变过程.同时，分析液滴We数和无量纲液膜厚度对传热的影响.液滴撞击后的热流密度分布显示：液膜可分为撞击区、过渡区和静态区.由于液滴的撞击作用，强制对流是撞击区内主要的传热机制.增大液滴的韦伯数或减小无量纲液膜厚度会加强热量传递.随着液滴韦伯数的增加，冲击引起的扰动增强，在动量和能量共同作用下，平均热流密度明显增大，撞击区冠状水花越明显.无量纲液膜厚度越小，平均热流密度越大，且有更长的时间保持高热流密度换热.     

微推进器两相流型特征及产生机理

针对以低浓度过氧化氢作为液体燃料的硅基微推进器,采用高速可视化手段考察过氧化氢分解形成的气液两相流在微喷嘴扩张段的流动特征.发现流型总体特点是泡状流型阶段和环状流型喷气阶段交替出现.在环状流喷气阶段,微喷嘴扩张段内的气液界面呈现特殊的瓶颈形结构,形成瓶颈形流型结构的微液滴在微喷嘴出口处往复运动,形成单向止回阀效应,使得环状流喷气过程呈现周期性间断的特点.     

大展弦比气弹机翼柔性非线性变形的气动力效应分析与风洞试验

从飞行器刚弹耦合动力学模型出发，引入柔性机翼准定常假设，建立大柔性飞行器非线性静气动弹性气动力方程，利用非线性迭代求解思路模拟了柔性飞行器的静气动弹性响应行为，开展了大展弦比飞机静气动弹性风洞试验验证，采用气动力有限基本解与机翼的耦合计算，发现了大柔性飞机大变形状态下载荷及结构变形形式随风速的变化规律.传统基于小变形假设的线性分析方法和刚体分析由于无法考虑气动面随结构变形的曲面气动力因素和结构变形后的非线性刚度特性，均与风洞试验存在一定的误差.对于大展弦比柔性飞机的非线性静气动弹性分析十分必要.      

利用顶部柔膜颤振抑制三维方形棱柱气动力

通过风洞实验研究了高宽比H/d=5的正方形棱柱顶部柔性薄膜颤振对柱体气动力特性的影响规律.模型宽度为40 mm,来流风速4~20 m/s,对应Reynolds数为10 960~54 800.柔性薄膜为厚度0.04 mm的高压聚乙烯膜,长度l=0.5~4 cm不等.实验发现,柔性薄膜的振动状态对三维方柱气动力特性有显著影响.低风速下,柔性薄膜不发生颤振,其对方柱气动力影响不大;随风速的增加,柔性薄膜发生颤振,方柱的时均阻力、脉动阻力和脉动侧向力最多分别减少约5%,25%和60%.柔膜发生颤振的临界风速随其长度增大而减小.只要柔膜发生颤振,其对柱体气动力的影响都是类似的,与其长度无关.流动可视化实验发现,薄膜的颤振改变了方柱绕流场,使柱体上半部分的反对称展向漩涡变为受膜拍动控制的对称结构,且越靠近自由端,此现象越明显.      

大液滴撞击不同润湿性小球的三维格子Boltzmann方法模拟

采用三维多松弛(MRT)Shan-Chen的格子玻尔兹曼方法(LBM)模拟液滴撞击不同润湿性固体小球(液滴直径与小球直径比大于1)的动态过程,在多种方法验证计算模型准确性的基础上,探究液滴韦伯数、小球表面润湿性对液滴撞击小球动态过程的影响,以及液滴撞击小球后形成片层的几何特征与球面润湿性的关系。结果表明：液滴撞击小球后将形成钟罩形的片层,撞击亲水小球后的片层则会出现凹痕。当小球表面润湿程度一定时,片层的最大底径随韦伯数增大而增加。撞击亲水小球时,片层形成后会完全闭合,韦伯数越大,且片层完全闭合的时刻越早,并在闭合过程中片层容易发生破裂。而撞击疏水小球时,韦伯数越大,则片层发生破裂的时刻越早;在片层打开过程中,破裂后的片层成环条状下落,即片层的几何特征受韦伯数和小球润湿程度的共同影响。     

石墨烯/柔性基底复合结构双向界面切应力传递问题的理论研究

界面力学性能是影响石墨烯/柔性基底复合结构整体力学性能的关键因素,因此对该结构界面切应力传递机理的研究十分必要.考虑了石墨烯和基底泊松效应的影响,本文提出了二维非线性剪滞模型.对于基底泊松比相比石墨烯较大的情况,利用该模型理论研究了受单轴拉伸石墨烯/柔性基底结构的双向界面切应力传递问题.在弹性粘结阶段,导出了石墨烯双向正应变和双向界面切应力的半解析表达式,分析了不同位置处石墨烯正应变和界面切应力的分布规律.导出了石墨烯/柔性基底结构发生界面滑移的临界应变,结果表明该临界应变低于利用经典一维非线性剪滞模型得到的滑移临界应变,并且明显受到石墨烯宽度尺寸以及基底泊松比大小的影响.基于二维非线性剪滞模型建立有限元模型(FEM),研究了界面滑移阶段石墨烯双向正应变和双向界面切应力的分布规律.与一维非线性剪滞模型的结果对比表明,当石墨烯宽度较大时,二维模型和一维模型对石墨烯正应变、界面切应力以及滑移临界应变的计算结果均存在较大差别,但石墨烯宽度很小时,二维模型可近似被一维模型代替.最后,通过与拉曼实验结果的对比,验证了二维非线性剪滞模型的可靠性,并得到了石墨烯/聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底结构的界面刚度(100 TPa/m)和界面剪切强度(0.295 MPa).     

微管道内两相流数值算法及在电浸润液滴控制中的应用

叙述了一种模拟电介质电润湿(electrowetting on dielectric，EWOD)下的微液滴的运动的数值方法. 采用二阶投影法求解N-S方程和level set 函数，并利用零level set函数俘获液滴运动界面，在液体与固体接触的边界上，通过引入动态接触角表征电介质表面润湿性随电势的改变. 数值计算基于MAC网格，模拟了2维微管道内与固体壁面接触的变润湿性的两种液体的分界面形状、平板上的微液滴在不同电势作用下处于不同湿润性的形态，以及微管道内改变接触角液滴的运动变形过程等算例. 关键词： 电浸润 接触角 level set函数 投影法     

吹气抑制气体热效应时管道结构对光传输的影响

 采用吹气抑制气体热效应对光传输的影响时，管道结构会对内通道流场分布产生作用从而影响光传输质量。对比研究了沿几何尺寸相同、光路总长相等的U形和Z形管道轴向吹气的情形。仿真过程中，联合求解标量衍射方程和N-S方程,计算管道对吹气流场的影响以及流场对光束的影响，以远场光斑的峰值功率密度点、能量分布重心点位置的偏移以及Strehl比和b值的变化反映光束质量。结果表明:不吹气时，管道结构对流场的影响远小于气体吸热对流场的影响；吹气时，管道内气体流速较大，管道结构对流场分布的影响比较明显；吹气时，U形管道对光束的影响比Z形管道对光束的影响要小。     

U-RANS／PDF方法计算钝体后漩涡脱落

本研究发展了U-RANS/PDF混合算法研究湍流和化学反应相互作用对燃烧稳定性的影响,采用有限体积和Monte Carlo相结合的方法在非结构网格中求解相容的U-RANS方程和脉动速度-湍流频率-标量的联合PDF方程.本文对钝体火焰驻定器后冷态流场进行了计算,结果表明此混合算法能够捕捉流场中非稳态的漩涡脱落现象.着重研究了湍流频率模型系数的改变对漩涡脱落频率以及拟序结构在动量输运中的作用的影响.     

水平管油水两相流摩擦阻力特性实验研究

本文对水平管内油水液液两相流的摩擦阻力压降特性进行了实验研究。水平管实验段由有机玻璃管制成,内径为40mm。根据油水两相流流型的不同,通过建立物理模型或对实验数据的整理得到了各种典型流型下的摩擦阻力压降计算式。揭示了摩擦阻力压降随混合物速度和体积含水率等的变化规律。     

分层流与环状流中聚合物减阻效应研究

对天然气管道在多相流状态下的管道效率与减阻率的关系进行了理论分析,以水-空气混合流体模拟天然气管道中的分层流与环状流,在65 mm的水平管中对聚合物的多相流减阻进行了试验研究。理论计算与试验结果都表明,聚合物对多相流的减阻率随表观气速的增大而略有降低;对液体有62％减阻率的聚合物,对环状流的减阻率可达到40％左右,对分层流的减阻率可达到26％左右,使多相流的管道效率明显提高。     

顶部节流条件下S型柔性立管内油气水三相流流型转变实验研究

实验研究了集输-立管系统中,立管顶部节流条件下S型柔性立管内油气水三相流流型及其转变机理.发现,随着阀门开度的减小,S型柔性立管内依次会出现严重段塞流、类弹状流和类泡状流.背压的升高是促使流型发生转变的原因,升高的背压抵消了立管上游封闭气体的压力,从析抑制了立管内气相的运动速度.本文建立了节流过程中S型柔性立管内流型间...     

基于流动沸腾传热机理的分段式微通道结构优化研究

列车牵引变流器功率模块IGBT的散热问题近年来备受关注.本文以微通道内流动沸腾换热的"M"型曲线峰值点传热强化理论为依据,通过实验研究微通道长度和结构对冷板表面温度的影响,发现短通道能够有效控制通道内蒸汽干度水平,使得微通道冷板内以弹状流或薄膜环状流为主流流型,从而获得较高传热系数.在一定面积的冷板内设置短通道组合的分...     

水平管内油水两相流流型及其转换规律研究

本文对水平放置圆管内的油水液液两相流的流型及其转变特性进行了实验研究,定义了不同流动条件下油水两相流的流型,并由实验所得数据给出了水平圆管内油水液液两相流的流型图。进而讨论了各流型之间的转变机理,并考察了影响流型的因素。采用无量纲准则数以及半理论公式对流型转变进行了预测,结果与实验数据基本吻合。并与他人的实验数据也进行了比较。     

垂直上升管内气-液两相环状流截面含气率的数学模型

模型是建立在压力能量消耗率最小的原理上的,其基本原理是:在气-液两相流的流型中,环状流具有相当稳定的流动状态。根据流体力学的原理,任何系统都趋向于处在能量最小的稳定状态,所以在环状流的稳定流动状态下具有的能量应该最小。提出了计算截面含气率的压力能量消耗率模型,结果表明:模型计算结果与实验结果基本相吻合。     

直接甲醇燃料电池阳极流道两相流动的拟沸腾模型(I)流动压力降的计算

本文分析了直接甲醇燃料电池阳极流道中存在的气液两相流动现象。通过与传统加热管中流动沸腾现象进行比拟,首次提出了“拟沸腾”的概念,建立了气液两相流压力降模型。基于在建的活化面积为100 cm2的DMFC极板的蛇行流场设计,计算了阳极流道的压力降,分析了各分压力降对总压降的影响。计算结果表明:对于小活化面积的电池,在小电流密度下运行时,流道中扩散层表面的“非活化点”处滞留的气泡核心对主流有较大的附加摩擦阻力作用。     

差压法测量两相流相含率的研究

本文通过差压式测量方法,对气液两相流中含气率及油水两相流中含水率的测量进行了深入的试验研究。通过水平及垂直上升段的结构组合,测量气液两相流中的含气率值,在对流型测量与分析的基础上,建立了不同流型下垂直上升段与水平段摩擦压降间的修正关系式,减小了测量误差;通过采用一缓流的垂直下降段,测量油水两相流中的含水率值,获得了好的结果。