二维水平通道内流动沸腾换热的格子Boltzmann模拟

利用格子Boltzmann方法模拟二维水平通道内水的流动沸腾过程,获得不同壁面过热度下流型特点和不同因素对换热过程的影响规律。结果表明,随着壁面过热度升高,流道内流型依次经历从泡状流、弹状流到反环流的转变,平均热流密度和平均换热系数先增大后减小。入口流速降低会使流道内出现受限气泡流,核态沸腾受到抑制。提高入口流速能够有效促进气泡脱离,壁面平均换热系数随入口流速增大而增大,但增长速率有所减小。减小通道宽度有利于汽化现象发生,核态沸腾得到强化,壁面平均换热系数有所提高。     

液氮过冷流动沸腾数值模拟中的双流体模型

液氮过冷流动沸腾广泛见于各种低温换热设备中.采用双流体模型分析液氮过冷流动沸腾,需要为模型提供适当的封闭方程,用于描述汽液两相间质量、动量以及能量的传输过程,封闭方程的合理性直接决定了双流体模型的准确性.将液氮流动沸腾通道划分为近壁区和主流区,分别介绍液氮核态沸腾壁面上的传热传质机理模型,以及两相流程内汽液之间的相互作用的相间传输模型,建立液氮流动沸腾过程适用的双流体模型,并分析了对模型预测能力具有显著影响的因素,指出存在的问题和解决方案.      

多层次复合微纳结构表面影响过冷沸腾气泡行为的微距观测

通过真空钎焊的方法,将微结构的金属网与纳米尺寸的金属粉末结合,从而在过冷沸腾换热表面生成微纳米多层次复合结构。对比采用不同规格网格制备的表面与光滑表面的微观形貌特征,发现所采用处理工艺成功地在材料表面形成了凹状空穴、孔隙结构、类纳米柱体等不同尺度的三层次复合微纳米结构。与水的接触角测量显示,复合结构表面在保持原表面亲水性的同时,在一定程度上降低了对水的浸润性。进一步通过微距摄影观测表明,复合结构表面气泡生成密度均大幅度高于光滑表面,较细的网格尺度更显著,但小于120μm后增加不明显。分析发现,复合表面会诱导复杂的流动不稳定性,在增加汽化核心的同时也有效地避免了过早形成气膜,对提高临界热流密度有利。上述研究结果可为设计更先进的相变换热表面提供参考。     

沸腾换热的分形分析

研究沸腾换热过程是安全、高效地利用能源的基础.简要评述了沸腾换热(池内沸腾、流动沸腾、临界热流密度和纳米流体沸腾换热)的研究进展;详细论述了采用分形理论和方法研究沸腾换热分析解的理论和方法;指出了采用分形理论和方法有可能解决其它尚未解决的有关沸腾换热的若干课题和方向.      

机械密封动环外周表面织构换热机理及结构优化

本文中以接触式机械密封为研究对象，考虑端面摩擦热，建立了包含密封环及密封腔的三维轴对称传热模型，并采用Fluent软件进行了传热分析，得到了密封环及密封腔的流场、温度场、速度场和Nusselt Number(Nu数)分布情况. 通过分析织构及其周边的流场、流态和温度场，揭示了织构的对流换热机理，主要研究了等边三角形织构的深径比、排数、排间距、排列方式和方向角等几何因素对端面温度的影响，并对等边三角形的结构参数进行了优选. 结果表明:动环外周表面织构具有增强对流换热效果和降低密封环整体温度的能力；织构的型式、深径比、个数以及排列方式均会对其换热效果产生影响，其中织构个数和旋转角影响较大，且三角形织构具有较强的换热能力，为今后高性能机械密封的优化设计及应用提供了理论依据.      

超声速燃烧火焰稳定凹腔质量交换特性的数值研究

对超声速冷流条件下用于超燃冲压发动机的凹腔火焰稳定器的质量交换特性进行研 究. 采用混合RANS/LES方法对非定常流场进行数值模拟，考虑了凹腔的长深比和后缘角度两 个关键参数. 计算得到了凹腔剪切层拟序结构的演化过程. 对凹腔压力振荡历程进行幅频分 析，所得到的频率和理论分析结果及一些计算结果十分吻合. 结果表明，凹腔的长深比和后 缘倾角对凹腔质量交换过程都有较大的影响. 凹腔驻留时间随着长深比的增加而增加. 随着 后缘倾角减小，长深比较小的凹腔的驻留时间增加，长深比较大的凹腔则完全相反. 该计算 结果为凹腔设计提供了新认识.     

高马赫数燃烧强化的激波风洞试验研究

基于中国科学院力学研究所的JF-24激波风洞, 通过开展高马赫数超燃冲压发动机的直连试验, 研究了高马赫数燃烧的强化方法以及燃料类型对燃烧的影响. 试验段是采用凹腔结构的圆截面燃烧室, 喷孔布置在隔离段, 燃料分别是氢气和乙烯, 当量比均为0.7. 燃料喷注分别采用无支板和小支板两种构型, 后者部分喷孔位于小支板顶部. 两种构型均设置了流向近距双排喷孔, 可分别进行单环和双环喷注. 试验结果论证了飞行马赫数10.0条件下氢气和乙烯在超高速气流中的稳定燃烧性能. 并且, 相比于单环喷注, 双环喷注以及补充小支板可以强化燃烧. 推测其原因是双环射流和激波/分离结构的近距离交互作用很可能改善掺混, 而补充小支板顶部喷注还能利用更多空气组织掺混. 在同样采用双环耦合小支板顶部喷注的强化措施下, 氢气与乙烯燃烧效率接近, 但氢推力性能更优. 这是因为较高热值氢的释热更多. 此外, 试验还证明了在当前来流条件下, 释热受控于掺混, 且高温离解效应限制释热上限. 这是由于释热降低流速且提高静温, 使高温离解的吸热效应更加显著.      

面向发动机再生冷却的流热耦合拓扑优化

再生冷却作为一种主动热防护形式,被广泛应用于高超声速飞行器发动机的热防护系统.为了进一步提高再生冷却结构的换热性能,发展了考虑变热物理性质和输运性质的流热耦合拓扑优化设计方法.首先建立了流热耦合拓扑优化模型,基于连续伴随法对考虑变物性的伴随方程和灵敏度进行了推导,并利用开源计算平台OpenFOAM构建了拓扑优化求解器,耦合了滤波和投影等技术以缓解可能出现的数值问题,结合了建表-插值法对冷却剂物性和相关偏导项进行计算.随后对流热耦合结构进行了拓扑优化设计,结果表明:随着能量耗散约束值的增大,通道的拓扑结构愈加复杂,冷却通道内的流动分离和再混合现象更加显著.通过提取5种拓扑优化构型(Case 1～Case 5),对三维拓扑优化结构的流动换热特性进行了数值模拟分析,发现冷却剂的流动分离和再混合诱导产生复杂的二次涡结构,有助于激发湍动能,增强通道的局部换热性能.最终Case 3～Case 5中的拓扑优化构型相较于传统构型均起到了强化换热效果,平均努塞尔数增益百分比分别为12.6%, 16.0%和23.4%.     

小管径管翅式换热器气压胀接成形机理研究

管翅式换热器是制冷行业中最常用的换热器形式,其换热管的胀接性能决定了换热器的传热性能.本文提出了管翅式换热器的三维流-固耦合模型,采用单向流固耦合瞬态数值模拟方法,对小管径管翅式换热器的流体和固体域的流动和变形特征开展了数值研究.计算结果表明:根据换热管和翅片的胀接成形要求和胀后管径要求,气压胀接压力的合理范围为P=12.5 MPa,与理论公式推导值一致.根据管翅应力随时间变化的规律可知,换热管接头处应力远大于其屈服极限66 MPa,翅片接头处应力刚好略大于其屈服极限132 MPa,满足胀接成形要求.胀后的换热管直径随着压力的增加其管径增大,换热管的径向位移在水平方向较小,垂直方向较大,其最大和最小位移差约为0.03 mm.探究了管翅间残余接触压力随胀接压力的变化,残余接触压力随胀接压力的变化可分为三个阶段.结果表明当胀接压力使得翅片内孔发生屈服后,继续增大胀接压力会导致胀接不完全.最后研究了保压时间的影响,结果表明保压时间的增加对胀接效果并没有明显影响.相关结果可为工程实际中小管径管翅式换热器气压胀接工艺提供理论指导.     

薄板小波有限元理论及其应用

利用样条小波尺度函数构造了常用的三角形和矩形薄板单元的位移函数,得到了利用小波函数表示的形函数。采用合理的局部坐标,对单元进行压缩,使单元在局部坐标区间上有其值,成功地推导出了分域的三角形和矩形薄板小波有限元列式。在此基础上,提出了弹性地基薄板的小波有限元求解方法。通过两个算例对薄板的挠度和弯矩进行了计算,数值结果表明,求解结果具有收敛快、精度高的特点。     

多孔压电分流超材料及其带隙特性研究

设计了一种新型多孔压电分流超材料构型,以单、双孔元胞构型为例,研究了其带隙特性和有限周期振动传递特性,并与未开孔压电分流超材料板进行了对比分析。计算结果表明:与未开孔压电超材料相比,两种构型在低频处的压电局域共振带隙频率更低,带宽变窄,且均会在高频范围内出现额外带隙,随着孔宽δ的增大,额外带隙数量逐渐增多;对应特定的孔宽δ的两种元胞构型均产生带宽大于1kHz的超宽带隙。该构型结合了压电分流超材料和声子晶体的特点,与传统未开孔压电分流超材料相比,具备低频和高频同时抑振的特性。     

铁磁矩形简支板的磁弹塑性弯曲行为分析

基于广义变分原理得到的磁力计算公式,采用塑性增量理论,Mises屈服准则和有效的增量有限元计算方法,研究了线性强化材料铁磁矩形板的磁弹塑性弯曲行为。在文中定量模拟了铁磁简支矩形板在外加磁场作用下的挠度特征曲线,铁磁板发生塑性变形时的构型图和不同外加磁场下的中截面构型,以及铁磁板在卸载后的残余挠度特征曲线等力学特征,分析了塑性区域随磁场增加而扩展的情况。数值结果表明:当铁磁矩形板上的部分区域发生塑性屈服后,其变形明显大于相同磁场条件下铁磁板发生的弹性变形值;且随着外加磁场倾角的增大(0°<α≤45°),铁磁板进入塑性屈服状态的临界屈服磁场值减小;铁磁板的中截面构形为双半波型,其塑性区域由铁磁板两侧挠度最大的区域向板的中心区域扩展,板的中心最后进入塑性区域等。     

微重力池沸腾过程中的气泡热动力学特征研究

微重力池沸腾过程中的气泡热动力学特征研究项目是实践十号返回式卫星科学实验任务之一,主要关注微重力池沸腾过程中孤立生长气泡周围局部流动与传热机理.目前,实验装置SOBER-SJ10正样产品已完成研制和地面测试,并开展了一系列地面对比实验.地面实验结果表明设备工作正常,性能指标达到设计要求.地面实验结果表明过冷度对起始沸腾过热度影响甚微.空间飞行实验将于近期进行,其结果将加深对沸腾传热机理的认识.     

新型自然循环自动清洗式蒸发器及设计原理

以高效蒸发器为目标，旨在以自然循环替代高能耗的强制循环泵、以自动清洗取代加热面盐垢的周期性停车清洗．主要研究沸腾室内的不平衡汽化过程机理，提出动力温度的新概念，采用显热与汽化热转换平衡的研究方法，得到自然循环推动力的工程设计计算式，并且由此引出推动力强化的基本原则，进而获得中试的成功．还提出加热室必须采用能够低流速下自转清洗又高效传热强化的螺旋齿带，才能保障循环总阻力低于推动力．     

环形腔内双层薄液层热毛细对毛细对流的渐近解

为了解水平温度梯度作用下环形腔内双层薄液层热毛细对流的基本特性,采用渐近线方法 获得了热毛细对流的近似解. 环形腔外壁被加热,内壁被冷却,上、下壁面绝热. 结果表明, 当环形腔宽度与内半径比趋于零时,环形腔退化为矩形腔,所得到的主流区速度场和温度场 的表达式演化为Nepomnyashchy 等得到的矩形腔内的结果;与数值模拟结果的比较 发现,在主流区渐近解与数值解吻合较好.     

陷窝强化对流换热机理数值模拟分析

为了给后续优化陷窝设计提供参考,本文采用RANS数值模拟了底板布置典型深宽比为0.2的陷窝的两组光滑平板间充分发展对流换热流动的情况,分析了陷窝强化对流换热的机理。为验证数值模拟方法的可靠性,建立了与已有文献中的实验一致的模型,与实验结果对比,数值结果误差小于6%,验证了本文数值模拟方法的可靠性。本文通过此数值模拟方法研究表明:陷窝背风面动量输入小、流速低、对流换热弱、类龙卷风涡对壁面螺旋型焦点处对流换热最多减弱50%;陷窝尖后缘的高速绕流、冲击、边界层不连续发展和湍流强度增强等强化了对流换热;陷窝后缘处对流换热最大增强25%;尾流诱导达两倍陷窝表面直径距离的纵向涡对,由于纵向涡对在对称面上诱导向上的速度,对流换热减弱;由于纵向涡对两侧诱导向下的速度,对流换热较强;尾流区换热增强5%~25%。从整体来看,陷窝强化了对流换热。     

纵向涡强化换热的实验研究

在流道内安装三角翼对涡发生器可以产生纵向涡旋,本文研究了Re＝800－8000范围内,以空气作为介质,涡发生器对加热片的强化换热效果,并通过红外热像仪测量加热片面的温度场,结果表明：与光滑加热片换热面比较,加装三角翼对涡发生器后,强化换热效果明显。本文条件下,在雷诺数为6000时,加装涡发生器整体强化换热效果达到50．8％。     

环形腔内双层薄液层热毛细对流的渐近解

为了解水平温度梯度作用下环形腔内双层薄液层热毛细对流的基本特性,采用渐近线方法获得了热毛细对流的近似解. 环形腔外壁被加热,内壁被冷却,上、下壁面绝热. 结果表明,当环形腔宽度与内半径比趋于零时,环形腔退化为矩形腔,所得到的主流区速度场和温度场的表达式演化为Nepomnyashchy 等得到的矩形腔内的结果;与数值模拟结果的比较发现,在主流区渐近解与数值解吻合较好.      

基于Mindlin解的桩基础最终沉降计算的应力面积法

利用Ｍｉｎｄｌｉｎ竖向附加应力公式，通过积分得到地基内矩形面积上三角形分布荷载作用下角点下竖向附加应力解析式，并通过对地基内矩形面积上均布和三角形分布载荷作用下角点下竖向附加应力公式关于深度进行积分，得到了计算角点下竖附加应力面积的解析式，根据解析式制表格，可供运用应力面积法进行群桩实体基础等的最终沉降计算时查用。     

端面微形体对液体润滑机械密封性能的影响

针对等深(高)凹(凸)微形体端面液体润滑机械密封,采用有限元法求解等温及层流不可压缩二维Reynolds方程研究了在端面开启力与闭合力平衡的状态下,圆形、正方形、六边形和三角形等不同凹(凸)微形体端面机械密封的平均液膜厚度、摩擦扭矩、液膜刚度和泄漏量等密封参数随微形体面积比的变化规律,并比较了"凹"、"凸"2种微形体端面机械密封的性能.结果表明:微形体面积比对密封性能影响较大,且"凸"微形体端面密封的性能参数所受影响较"凹"微形体密封大;在相同工况和面积比条件下,"凹"微形体端面密封的综合性能优于"凸"微形体端面密封.