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。     

微圆管进口区气体流动与换热特性研究

对微圆管进口区运用一阶速度滑移和温度跳跃边界,考察了Kn、动量调和及热调和系数对流动与换热特性的影响机理和规律.模拟结果表明:流动进口段长度随Kn增加而增加,但随动量调和系数减小而减小;热进口段长度随Kn增加而增加,但随动量调和系数及热调和系数减小而减小;Nu数随Kn增加及热调和系数减小而减小,但随动量调和系数减小而增加.     

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.     

微尺度振荡Couette流的格子Boltzmann模拟

采用有效多松弛时间-格子Boltzmann方法(Effective MRT-LBM)数值模拟了微尺度条件下的振荡Couette和Poiseuille流动. 在微流动LBM中引入Knudsen边界层模型,对松弛时间进行修正. 模拟时平板或外力以正弦周期振动,Couette流中考虑了单平板振动、上下板同相振动这两类情况. 研究结果表明,修正后的MRT-LBM模型能有效用于这类非平衡的微尺度流动模拟;对于Couette流,随着Kn数的增大,壁面滑移效应变得越明显. St越大,板间速度剖面的非线性特性越剧烈;两板同相振荡时,若Kn,St均较小,板间流体受到平板拖动剪切的影响很小,板间速度几乎重叠在一起;在振荡Poiseuille流动中,St数增大到一定值时,相位滞后现象减弱;相对于Kn数,St数对振荡Couette 和Poiseuille流中不同位置处速度相位差的产生有较大影响. 关键词： 格子Boltzmann方法 有效MRT模型 Knudsen层 振荡流     

粗糙度对微细圆管内流动特性影响的摄动分析

本文以粗糙度为小参数,采用正则摄动法求解了微细圆管内的层流流动.计算结果表明,壁面相对粗糙度和粗糙元的无量纲间距是影响微细通道内部流场的主要因素.壁面相对粗糙度仅影响扰动流函数的峰值但不影响流场受扰区域的大小;而粗糙曲线空间波数对扰动流函数的峰值和扰动区域的大小都有影响.当粗糙度相同增大空间波数时,流函数的扰动峰值和受扰区域都将减小,这为合理设计粗糙元同时抑制摩擦阻力增大提供了理论依据.     

纳米通道内气体剪切流动的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法研究了表面力场对纳米通道内气体剪切流动的影响规律.结果显示通道内的气体流动分为两个区域:受壁面力场影响的近壁区域和不受壁面力场影响的主流区域.近壁区域内,气体流动特性和气体动力学理论预测差别很大,密度和速度急剧增大并出现峰值,正应力变化剧烈且各向异性,剪切应力在距壁面一个分子直径处出现突变.主流区域的气体流动特性与气体动力学理论预测相符合,该区域内的密度、正应力与剪切应力均为恒定值,速度分布亦符合应力-应变的线性响应关系.不同通道高度及密度下,近壁区域的归一化密度、速度及应力分布一致,表明近壁区域的气体流动特性仅由壁面力场所决定.随着壁面对气体分子势能作用的增强,气体分子在近壁区域的密度和速度随之增大,直至形成吸附层,导致速度滑移消失.通过剪切应力与切向动量适应系数(TMAC)的关系,得到不同壁面势能作用下的TMAC值,结果表明壁面对气体分子的势能作用越强,气体分子越容易在壁面发生漫反射.     

波纹通道内过渡领域流动特性的数值研究

本文基于离散速度方向模型,数值研究了过渡领域内气体在正弦波纹通道中的流动特性。首先,对模型的控制方程进行了坐标转换,提出了分子在曲边边界上的反射处理方法,将原模型计算范围拓展到了不规则区域。基于此,采用结构化网格和二阶迎风格式对正弦波纹通道内处于过渡领域的气体流动进行了数值研究。结果表明,与连续介质领域和滑移领域不同,过渡领域内通道截面最大速度在Kn=1附近出现极小值;随着Kn数的增加,壁面滑移速度随之增加,而摩擦常数随之降低;此外,通道的渐扩过程滑移速度以及摩擦常数均降低,渐缩过程与此相反。     

沉降分布孔隙率多孔介质模型及数值研究

研究沉降分布孔隙率多孔介质流动和传热,根据"O"形圈理论和现场测定确定孔隙率系数,建立坐标方向孔隙率分布函数;考虑流体密度变化,并引入Brinkman-Forchheimer的扩展Darcy模型,能量方程采用界面连续条件,建立沉降分布孔隙率多孔介质流动和传热求解模型.采用差分法对模型进行离散化,应用高斯-赛德尔方法迭代求解.数值分析表明:沉降分布孔隙率条件下多孔介质内流体流动速度在壁面附近较大,中心部位较小,壁面附近孔隙率的增大使得低流速区域减小,较高流速区域增大;当孔隙率小值时,温度按线性减小;当孔隙率大值时,温度在高低温壁面附近迅速减小,在中部减小较缓,热量按导热和对流共同传递;孔隙率增大能使平均怒谢尔数增大,对流换热作用增强.     

层间稀薄气体传热对多层绝热材料性能的影响分析

通过建立的热量传递模型,分析了不同的气体稀薄程度(Knudsen数)时,气体传热对多层绝热材料有效热导率和各层温度分布的影响。分析表明:由多层绝热材料真空度变化引起的稀薄气体传热量波动较大,在10—60层/cm层密度范围,真空度低于100Pa时,Kn数属于自由分子状态区域和中间压强区域,此时材料的有效热导率随残留气体热适应系数的增大而减小,并随着真空度的降低而增大;当残留气体为空气时,为保证多层材料的绝热性能,尽量维持真空度不低于10-2Pa。同时分析表明,为有效降低低真空下稀薄气体传热对多层绝热性能的影响,可以采用综合热适应系数较低的气体置换夹层中的空气,以减少低真空多层绝热材料的有效热导率,改善绝热性能。     

滑移流区内微环缝槽道中的层流流动与换热

本文针对微环缝槽道采用速度滑移和温度跳跃边界条件求解了不可压缩气体的Ｎ－Ｓ方程和能量方程,理论分析了微环缝槽道在单侧或双侧不同热流密度加热条件下的流动与层流换热特性,讨论了Ｋｎ数、内外径比对流动阻力及换热特性的影响。结果表明：滑移流区微环继通道内的流阻和Ｎｕｓｓｅｌｔ数明显低于连续流区;且随着Ｋｎ数的增加,流阻和Ｎｕｓｓｅｌｔ数均减小;但其随内外径比ｒ＊的变化趋势与连续流区相似。     

EXPERIMENTAL STUDY OF NATURAL-CONVECTION PLUMES FROM A HEATED HORIZONTAL SQUARE PLATE AND A VERTICAL CYLINDER

This article describes an experimental study of natural convection around a horizontal square plate and a vertical cylinder, and provides data for the velocity and temperature profiles around representative heat sources of high heating capacity. From the measured velocity and temperature distributions, enthalpy fluxes, average convective heat transfer coefficients, and volume flow rates were derived for the plate and cylinder heat sources. New relationships between volume flow rate and distance above the plate and cylinder are presented.     

绕圆柱体自由表面磁流体流动和传热的研究

本文对在不同雷诺数下,绕圆柱体的磁流体自由表面流动及传热进行了模拟,分析了磁场对绕流圆柱尾迹和涡分离的影响,获得了两种雷诺数下的电磁力密度、流场和温度场分布。结果表明,磁场不仅影响了流动的形态,而且对湍流有抑制作用,降低了自由表面的更新机制,从而减少了传热能力;在相同的Hartmann数下,相比低雷诺数下的流动换热情况,高雷诺数下的湍流不能被完全抑制,自由表面与尾迹的相互作用也较强,因而自由表面换热也较强。     

层流等离子体射流温度与速度测量

本文分别应用光谱诊断、水冷皮托管及小尺寸杆状热流探针,对自由射入空气中的纯氩层流等离子体射流中心最高温度、滞止压力以及最大热流密度进行了测量,由测量结果导出了层流射流的中心最大速度,得到了射流气体温度和速度的轴向分布及其随工作电流和气流量变化的一些规律,探讨了气体的温度和速度对其向探针表面换热系数的影响。     

原表面回热器换热阻力特性试验研究

本文对研制加工的适用于 100 kW 微型燃气轮机的 CW(Cross Wavy) 原表面回热器进行了试验研究,通过对两侧流体进、出口温度、压力等的测量,重点分析了燃气流量、入口温度及空气进口压力变化对换热阻力的影响,得出了在变工况下回热器的流动与换热性能规律,结果表明:所研制的 CW 原表面回热器空、燃气两侧换热均匀,提高了换热效率,两侧压降都有不同程度降低,并得出了有工程应用价值的 Nu-Re 及 f-RE 准则关系式,可为原表面回热器的设计制造提供参考.     

Enhancement of gas phase heat transfer by acoustic field application

This study discusses a possibility for enhancement of heat transfer between solids and ambient gas by application of powerful acoustic fields. Experiments are carried out by using preheated Pt wires (length 0.1-0.15 m, diameter 50 and 100 micro m) positioned at the velocity antinode of a standing wave (frequency range 216-1031 Hz) or in the path of a travelling wave (frequency range 6.9-17.2 kHz). A number of experiments were conducted under conditions of gas flowing across the wire surface. Effects of sound frequency, sound strength, gas flow velocity and wire preheating temperature on the Nusselt number are examined with and without sound application. The gas phase heat transfer rate is enhanced with acoustic field strength. Higher temperatures result in a vigorous radiation from the wire surface and attenuate the effect of sound. The larger the gas flow velocity, the smaller is the effect of sound wave on heat transfer enhancement.     

Knudsen diffusion in silicon nanochannels

Measurements on helium and argon gas flow through an array of parallel, linear channels of 12 nm diameter and 200 microm length in a single crystalline silicon membrane reveal a Knudsen diffusion type transport from 10(2) to 10(7) in Knudsen number Kn. The classic scaling prediction for the transport diffusion coefficient on temperature and mass of diffusing species, D(He) is proportional to square root T, is confirmed over a T range from 40 K to 300 K for He and for the ratio of D(He)/D(Ar) is proportional to square root (m(Ar)/m(He)). Deviations of the channels from a cylindrical form, resolved with electron microscopy down to subnanometer scales, quantitatively account for a reduced diffusivity as compared to Knudsen diffusion in ideal tubular channels. The membrane permeation experiments are described over 10 orders of magnitude in Kn, encompassing the transition flow regime, by the unified flow model of Beskok and Karniadakis.     

微型燃气轮机CW原表面回热器流动与换热的试验研究

本文试验研究了交错波纹(Cross Wavy,简称CW)原表面回热器在低雷诺数范围内的流动与传热性能,通过对燃气进、出口不同测点温度测量,研究了燃气不均匀性对换热性能的影响,采用等流量法从总传热系数k中分离出两侧表面传热系数h,获得了有工程应用价值的Nu-Re及f-Re准则关系式。     

Heat transfer from a cylinder in pulsating cross-flow

The paper presents results on heat transfer from a cylinder in pulsating flow. The results are local heat transfer distributions that match four different flow modes identified previously by the authors. A new kind of dimensionless number was introduced for pulsating flows: this is a ratio of flow acceleration during unsteady movement to the centrifugal acceleration due to streamlines bending over the cylinder. The experimental data were generalized as a dependency of the average heat transfer on the new dimensionless criterion. The generalization offered a correction factor to a traditional relation for heat transfer between a cylinder and air flow past the cylinder; this correction takes into account the effect of parameters of forced flow pulsations on the average heat transfer.     

压水堆冷凝回流特性的研究

利用高压汽水两相流试验系统模拟压水堆小破口失水事故中冷凝回流传热模式,进行了传热、流动及不凝结气影响的试验。实验表明：冷凝回流传热是一种十分有效的传热模式,它在很小的一、二次侧温差时就能排放大量堆芯余热。冷凝回流系统在正常情况下流动阻力很小且稳定,但在达到回流流动极限后出现不稳定。不凝结气的存在将大大降低蒸汽发生器的传热能力,但一般情况下,系统能自动增加一次侧压力而达到排除余热的目的。