多层平行裂隙型多孔介质通道内流体流动传热特性

基于Brinkman-extended Darcy模型和局部热平衡模型, 对多层平行裂隙型多孔介质通道内的流动传热特性进行研究. 获得了多层平行裂隙型多孔介质通道内各区域的速度场、温度场、摩擦系数及努塞尔数解析解, 并分析了裂隙层数、达西数、空心率、有效热导率之比等对通道内流动传热特性的影响. 结果表明: 达西数较小时, 通道多孔介质层内会出现不随高度变化的达西速度, 此达西速度会随裂隙层数的增加而增大, 但却不受各裂隙层下多孔介质层位置变化的影响. 增加裂隙层数会减弱空心率对压降的影响, 会使通道内流体压降升高, 但升高程度会逐渐降低. 增大热导率之比或减小空心率会使多裂隙通道内出现阶梯式温度分布, 而在较小热导率之比或较大空心率时多裂隙情况下的温度分布曲线会趋于一致. 此外, 当热导率之比较小时, 多层裂隙通道内的传热效果在任何空心率下都要优于单裂隙情况, 当热导率之比较大时, 存在临界空心率使各裂隙层数通道内的传热效果相同, 且多裂隙通道内继续增加裂隙层数对传热强度影响不大.      

纵向涡对近壁湍流结构的影响

在封闭水槽中用氢气泡方法观察了纵向涡对近壁湍流结构的影响，涡的下洗侧出现了展向距离较宽、流动较稳定的快斑区，流向速度快；涡的上洗侧出现了含有慢斑的区域，流动结构复杂，流向速度慢，纵向涡使下洗侧速度较快的流体流向壁面，使上洗侧速度较慢的流体远离壁面。     

基于Stereo-PIV技术的三维发卡涡结构定量测量研究

发卡涡是湍流相干结构研究中最为关注的内容,实现发卡涡三维结构的定量测量并进行流体动力学分析,对深入研究湍流相干结构、实现湍流精准控制等具有重要意义.本研究通过对合成射流装置进行合理控制,使得层流边界层中产生了规则的人造发卡涡结构,进而用体视图像粒子测速仪(Stereo-PIV)锁相实验技术对发卡涡结构所在的三维空间流场进行了定量测量,并得到了一个完整周期内形成的发卡涡三维结构的空间流场. 结果发现,重构所得的三维发卡涡结构质量较高, 实验技术和方案具有可行性.发卡涡结构所在空间流场情况,符合目前人们对于发卡涡、高低速条带、喷射和扫掠事件的常规认识. 此外,对近壁二次流向涡、展向涡量集中区域的展向涡头和强剪切区域、与低速喷射流体相关的汇聚流动和发散流动等有了更细致的认识.同时, 也探讨了"基于二维脉动流场的相关特征去重构发卡涡三维流场"的可行性.为进一步定量探究发卡涡结构的形成演化、不同涡结构的融合及二次诱导等壁湍流相干结构问题提供思路.      

表面凹槽对流体动压润滑油膜厚度的影响

利用自行研发的面接触光干涉油膜厚度测量系统,对表面凹槽滑块的流体动压润滑油膜厚度进行了试验测量,试验中以静止的微型凹槽滑块平面和旋转的光学透明圆盘平面构成润滑副,且两润滑平面始终保持平行;在固定的载荷(速度)条件下,对油膜厚度-速度(载荷)曲线进行测量.结果表明：凹槽的宽度,深度,方向和位置等因素对油膜厚度有着重要影响.同时采用经典Reynolds方程对油膜厚度进行了理论计算,结果表明理论值在某些条件下并不能解释试验结果.     

六线涡量探针的测量原理与应用

介绍六线涡量探针和六通道热线风速仪的研制成果，应用该探针可同时测量两个涡量分量ωx和ωy（或ωx和ωz），以及3个速度分量u,υ，ω等相应的瞬时脉动值和统计平均值，从而可进一步测量湍流场内的湍能和雷诺应力，以及螺度和涡拟能等参量，还报道了应用该六线涡量探针，测量二维混合层内各湍流参量以及涡量分量ωx、ωy和ωz统计平均值的分布结果，并与前人的结果作了比较。     

矩形槽道内表面活性剂减阻流体场特性

采用粒子图像测速仪对矩形槽道内表面活性减阻流体在流动方向(x方向)与壁 面垂直方向(y方向)所在平面的流场进行了测量,分析了速度、涡量、速度脉 动相关量在流场内的瞬态分布,以及对500幅相同工况的流场进行了统计平均. 结 果显示: 与牛顿流体相比, 表面活性剂减阻流体接近于层流流动,横向速度脉动被大幅 减弱,导致湍流输运减弱,雷诺应力远远小于水. 减阻流体流向速度脉动呈条带 特征,沿流动方向发展,反映了减阻流体不同于水的湍流输运特征.     

微通道人工泡状流的Lattice Boltzmann数值模拟

采用高频电控热激发汽泡的方式构造微通道人工泡状流,可以有效抑制微通道沸腾流动的不稳定性和强化传热。本文基于Lattice Boltzmann大密度比多相流复合模型,数值研究了通道内人工泡状流的流动和传热,通过比较分析不同发泡频率的泡状流,量化分析了汽泡运动和增长对微通道流动与传热的相互影响。一方面着重分析了汽泡运动对微通道运动边界层以及汽泡相变增长对热边界层的影响,另一方面也研究了边界层对汽泡动力行为的影响,所得结论对研究抑制微通道沸腾流动不稳定性和强化传热有参考意义。     

矩形槽道内表面活性剂减阻流体流场特性

采用粒子图像测速仪对矩形槽道内表面活性减阻流体在流动方向(x方向)与壁面垂直方向(y方向)所在平面的流场进行了测量,分析了速度、涡量、速度脉动相关量在流场内的瞬态分布,以及对500幅相同工况的流场进行了统计平均. 结果显示: 与牛顿流体相比, 表面活性剂减阻流体接近于层流流动,横向速度脉动被大幅减弱,导致湍流输运减弱,雷诺应力远远小于水. 减阻流体流向速度脉动呈条带特征,沿流动方向发展,反映了减阻流体不同于水的湍流输运特征.      

入口扰动频率对矩形射流影响的大涡模拟

为研究入口扰动对矩形射流的影响,对不同扰动频率下的三维矩形射流进行了大涡模拟,用分布投影法求解动量方程,对压力泊松方程采用FACR直接解法.计算结果预报的速度在横向的单峰分布和速度半宽沿流向的近似线性增长与实验结果吻合良好.计算结果表明扰动频率为射流的本征频率fe=0.22时射流的卷吸作用最强,而高频扰动则抑制卷吸作用;激励频率接近本征频率时射流提前出现速度在展向的马鞍型双峰分布,更早趋于圆射流形态.进一步的流场二维和三维瞬态涡结构图谱表明:上述现象与f=0.1和f=0.22时射流近场更频繁卷起、更丰富的大涡结构存在密切关系,正是这些大涡运动不断地在横向卷吸入外界流体,实现射流在横向的迅速扩展.     

EXPERIMENTAL STUDY ON QUANTITATIVE MEASUREMENT OF THREE-DIMENSIONAL STRUCTURE OF HAIRPIN VORTEX BY STEREO-PIV 1)

发卡涡是湍流相干结构研究中最为关注的内容,实现发卡涡三维结构的定量测量并进行流体动力学分析,对深入研究湍流相干结构、实现湍流精准控制等具有重要意义.本研究通过对合成射流装置进行合理控制,使得层流边界层中产生了规则的人造发卡涡结构,进而用体视图像粒子测速仪(Stereo-PIV)锁相实验技术对发卡涡结构所在的三维空间流场进行了定量测量,并得到了一个完整周期内形成的发卡涡三维结构的空间流场. 结果发现,重构所得的三维发卡涡结构质量较高, 实验技术和方案具有可行性.发卡涡结构所在空间流场情况,符合目前人们对于发卡涡、高低速条带、喷射和扫掠事件的常规认识. 此外,对近壁二次流向涡、展向涡量集中区域的展向涡头和强剪切区域、与低速喷射流体相关的汇聚流动和发散流动等有了更细致的认识.同时, 也探讨了"基于二维脉动流场的相关特征去重构发卡涡三维流场"的可行性.为进一步定量探究发卡涡结构的形成演化、不同涡结构的融合及二次诱导等壁湍流相干结构问题提供思路.     

微型管中液滴流动的三维数值模拟

对于微型设备中的低雷诺数流动，毛细力和黏性力起主导作用. 应用相场方法，引 入自由能泛函，研究了二相流体在微型管中流动问题及表面浸润现象，并给出了微型管中二 相流体的无量纲输运方程. 针对方形微管道，利用差分法给出了输运方程的数值求解方法. 最后，模拟了方形直管中的液滴流动和变形的过程，并给出了液滴前后压力差与其它主要物 理参数之间的变化关系. 结果表明，压力差随液滴半径增大而增加，而随毛细管系数的增大 而减小.     

一种新型主动微混合器及其流场的数值研究

设计一种通过交变电磁力作用,使液体得到有效混合的微混合器。基于微尺度的无滑移模型,建立了微型管道内液体流动及混合的模拟方法,并开发了计算程序,对微管道内流体的流动与混合过程进行数值模拟,得到了流场分布图。通过交变电压的作用而产生交变的电磁力,对流场产生扰动,从而提高了微型管道中不同流体的混合效率。分析比较不同交变周期下的混合方案,并对其混合效率进行了评价。     

长方腔自然对流第一次分岔突变现象的数值分析

在对网格密度作用进行详细分析的基础上,采用二阶全展开 Euler-Taylor-Galerkin分裂步有限元方法,对封闭水平矩形腔体内流体 (Pr=0.71)自然对流的第一次分岔过程进行了数值预报. 计算结果表明,第一次分岔相应的流动拓扑及临界Rayleigh ($Ra$)数随矩形腔体长宽比(W/B)取值的不同时会发生较大变化. 在所计算的长宽比取值范围内,封闭矩形腔内,流体自然对流第一次分岔拓扑的变化对应两种大的类型: 在较小的长宽比取值范围内(W/B\le 2.5),临界Ra数两侧,流动从单一涡核的定常流动突变成为具有不对称结构的定常双涡核运动, 在此范围内临界Ra数的取值随W/B取值的增加而减小;当对应长宽比取值2.6 \le W/B \le 4.0时,第一次分岔拓扑结构的变化呈现出更加复杂的特性,临界Ra数两侧流动从定常双涡核突变为定常非对称的三涡核流动,相应的临界Ra 数也随W/B的增加而减少. 而在区间[2.5,2.6]两端,临界Ra数的取值发生一次阶跃式突增,将该长宽比取值的区间定义为长方腔内该流体第一次分岔的突变区间.      

单层微通道热沉拓扑结构对芯片中心热点的降温效能研究

通过热流固耦合模拟分析得到了不同微通道结构热沉基底的温度场及微通道内速度场,研究了相同入流功率下不同单层微通道拓扑结构对中心有高热流密度热点芯片的散热能力。结果表明:相同入流功率(0.05W)下,不同结构的散热能力排序由高到低为Y分形、弯曲散射、直散射(双侧出流)、直螺旋、直散射(单侧出流)、圆螺旋、树状分形、直槽结构;采用中心入流可有效降低芯片中心热点附近的温度,对于中心入流的散射结构,采用对称出流结构可提升其流动传热性能;Y分形结构具有良好的流动传热特性,对于热源面和中心热点均具有良好的散热效果。     

基于修正偶应力理论和微分变换法的输流微管自由振动

考虑黏性流体在微管道内作层流运动，给出了黏性流体在微圆管中的速度分布方程。利用修正偶应力理论和Euler梁模型建立细长微管模型，根据虚功原理推导输流微管流-固耦合振动方程，应用微分变换法计算微管道系统的固有频率。通过与有限差分法求解结果对比，证明微分变换法具有较高的精度。随后，研究了流体黏性、微管材料内禀特征尺寸和预应力对固有频率的影响。最后，分析了流体临界流速与预应力的关系。数值结果表明：在流体平均速度相同的条件下，考虑流体黏性时微管各阶固有频率偏低，并且平均速度越大，这一趋势越明显。     

纳米尺度通道内的界面流体粘性研究

含液微纳米孔隙在自然界中普遍存在,在发展 日趋精密化、微型化的工业中也有着广泛的应用,深刻理解流体在微纳米通道内的物性变化对于相关自然现象以及工业应用具有重要的指导意义.本文基于分子动力学方法,建立了由金属铂板构成的二维纳米尺度通道分子模型,分别考察了受限Lennard-Jones流体和水的物性变化.根据密度、剪切应力和粘性在通道高度方向的分布情况,确定了两种流体的边界层厚度约为4.8 ?和4.6 ?.针对边界层内的流体,发现界面流体的粘性相比宏观尺度体态流体粘性明显提高,且随着固-液相互作用强度的增加而增加,但随着通道壁面晶格常数的增加而减少.基于计算结果,给出了由接触角表征的具有一定普适性的流体界面粘性计算公式.研究工作为微纳米尺度通道输运性能及其调控提供了有价值的参考和指导.     

矩形凹槽管道中激波传播的数值研究

基于二维Euler方程,结合五阶加权基本无振荡(weighted essentially nonoscillatory,WENO)格式以及自适应网格加密(adaptive mesh refinement,AMR)技术对入射激波在矩形凹槽管道内传播过程进行了数值模拟。数值结果清晰地显示了入射激波传播过程中与多个矩形凹槽作用以及在凹槽内变化的整个过程,且与已有的实验结果吻合较好。另外,结果还揭示了入射激波与单个凹槽作用时,会发生绕射产生膨胀波,还会发生碰撞从而诱导反射激波。膨胀波会导致入射激波压力降低,而反射激波则导致其升高,但膨胀波的影响占主导作用,因而入射激波波阵面强度出现振荡下降。     

多孔障碍物对预混火焰传播的影响

以甲烷为代表性气体，研究了半封闭管道中设置多孔障碍物对可燃气体爆炸火焰传播的影响，基于大涡模拟对实验进行了重现，对比了实验与模拟中火焰传播过程的形状、位置及速度，分析了模拟结果中火焰穿过障碍物前后的流场和表面积变化，给出了衡量火焰褶皱程度的指标及算法。结果表明:大涡模拟结果与实验结果有较好的一致性；火焰在存在障碍物的管道内传播，经历层流快速膨胀、受阻回流、湍流快速发展和脉动减速4个阶段，各阶段火焰依次分别呈现加速、减速、二次加速、二次减速的波动变化；当可燃气体在开口与点火位置同端的管道内爆炸，火焰在接近障碍物时，受管道封闭端和障碍物约束显著，而出现脉动回流现象；火焰穿过多孔障碍物后，传播速度骤升至峰值，较未穿过障碍物前的最大速度可增加58.7%；障碍物是导致火焰面破碎以及面积褶皱率增大的直接原因，火焰褶皱率最大可达44.8%，比未穿过障碍物前的最大褶皱率增大39.27%。     

涡量修正方法在切向炉内流场数值模拟中的应用

涡量是流体运动的一个基本物理量，旋涡是流体运动中常见的一种基本形态，又是湍流的一种基本结构，它在理论上和工程实践中占有相当重要的位置。本文在吴镇远（Ｊ．Ｃ．Ｗｕ）方法的基础上，提出了一种新的数值计算方法——涡量修正方法。对炉内速度场及涡量场进行了计算，其速度场的计算结果与实验基本符合，在网格划分基本相同的条件下与ＳＩＭＰＬＥ算法所得结果相比，涡量修正算法更接近于实验结果，为流场的数值模拟提供了一条新的途径。     

基于微通道构型的微流体流动控制研究

微通道不仅仅是作为流体流动的单元, 更是进行流体控制的工具,微通道自身特性和特征用在实现微流体的驱动、进样、混合、分离以及液滴的产生、控制等方面已经表现出了良好的效果.由于微通道中比表面积非常大, 表面效应极大影响流体流动,近年来多数研究集中在应用表面效应来实现微流体驱动与控制,而以利用微通道结构特征实现流体流动控制为目标的研究成果相对较少.为了提高对通道构型作用的认识,主要介绍了基于微通道构型的无可动部件的流体微阀和基于微通道构型微小液滴的产生及流动控制器两个方面的发展情况,表明微通道构型在微流体控制中同样可以发挥重要作用,甚至有望带来微流控技术的突破.