正弦波温度边界下多孔介质方腔内非热平衡对流传热数值模拟

采用局部非热平衡模型,在方腔左侧壁面温度正弦波变化、右侧壁面温度均一的边界条件下,通过SIM-PLER算法数值研究了固体骨架发热多孔介质方腔内的稳态非达西自然对流,主要探讨了不同正弦波波动参数N及方腔的高宽比M/L对方腔内自然对流与传热的影响规律。计算结果表明:正弦波温度边界使得方腔内的流场出现了复杂的变化,流体及固体区域左侧壁面附近出现了周期性的正负变化的温度场分布,左侧壁面局部Nusselt数出现了周期性的震荡现象;存在一个最佳温度波动参数N=1,此时多孔介质方腔内的整体散热量达到最大值;增加方腔高宽比会显著地削弱方腔内的自然对流传热过程,小高宽比也会在一定的程度上削弱多孔介质方腔内的对流传热。     

一种用于分析封闭腔内湍流自然对流换热的k-ε新模型

由于目前用于求解湍流自然对流流动与传热的k-ε模型在应用过程中存在不足,结合高雷诺数k-ε模型需要借助壁面函数法来确定壁面上相关参数值和低雷诺数k-ε模型在近壁区布置更多节点以便获得粘性底层详细信息的特点,重新定义了湍流普朗特数σt的计算式,提出了一种修正的k-ε新模型;利用该模型对封闭方腔内的湍流自然对流流动与传热进行了数值分析。结果表明:与文献中数值模拟结果相比,当108≤Ra≤1014时本文模型所得壁面平均努塞尔特数更接近文献中的实验值,与实验值之间的相对误差在8%以内;壁面的局部努塞尔特数与文献中的实验值吻合得较好。这说明本文模型用于求解封闭腔内湍流流动与传热问题是合适的,比其它湍流模型更能准确地描述封闭腔内湍流自然对流换热中边界层发展与壁面传热特性之间的内在联系。     

多孔介质内黏弹性流体的热对流稳定性研究

基于修正的Darcy模型, 介绍了多孔介质内黏弹性流体热对流稳定性研究的现状和主要进展. 通过线性稳定性理论, 分析计算多孔介质几何形状(水平多孔介质层、多孔圆柱以及多孔方腔)、热边界条件(底部等温加热、底部等热流加热、底部对流换热以及顶部自由开口边界)、黏弹性流体的流动模型(Darcy-Jeffrey, Darcy-Brinkman-Oldroyd以及Darcy-Brinkman -Maxwell模型)、局部热非平衡效应以及旋转效应对黏弹性流体热对流失稳的临界Rayleigh数的影响. 利用弱非线性分析方法, 揭示失稳临界点附近热对流流动的分叉情况, 以及失稳临界点附近黏弹性流体换热Nusselt数的解析表达式. 采用数值模拟方法, 研究高Rayleigh数下黏弹性流体换热Nusselt数和流场的演化规律,分析各参数对黏弹性流体热对流失稳和对流换热速率的影响.主要结果:(1)流体的黏弹性能够促进振荡对流的发生;(2)旋转效应、流体与多孔介质间的传热能够抑制黏弹性流体的热对流失稳;(3)在临界Rayleigh数附近,静态对流分叉解是超临界稳定的, 而振荡对流分叉可能是超临界或者亚临界的,主要取决于流体的黏弹性参数、Prandtl数以及Darcy数;(4)随着Rayleigh数的增加,热对流的流场从单个涡胞逐渐演化为多个不规则单元涡胞, 最后发展为混沌状态.      

多孔介质内黏弹性流体的热对流稳定性研究

基于修正的Darcy模型,介绍了多孔介质内黏弹性流体热对流稳定性研究的现状和主要进展.通过线性稳定性理论,分析计算多孔介质几何形状(水平多孔介质层、多孔圆柱以及多孔方腔)、热边界条件(底部等温加热、底部等热流加热、底部对流换热以及顶部自由开口边界)、黏弹性流体的流动模型(Darcy-Jeffrey, DarcyBrinkman-Oldroyd以及Darcy-Brinkman-Maxwell模型)、局部热非平衡效应以及旋转效应对黏弹性流体热对流失稳的临界Rayleigh数的影响.利用弱非线性分析方法,揭示失稳临界点附近热对流流动的分叉情况,以及失稳临界点附近黏弹性流体换热Nusselt数的解析表达式.采用数值模拟方法,研究高Rayleigh数下黏弹性流体换热Nusselt数和流场的演化规律,分析各参数对黏弹性流体热对流失稳和对流换热速率的影响.主要结果:(1)流体的黏弹性能够促进振荡对流的发生;(2)旋转效应、流体与多孔介质间的传热能够抑制黏弹性流体的热对流失稳;(3)在临界Rayleigh数附近,静态对流分叉解是超临界稳定的,而振荡对流分叉可能是超临界或者亚临界的,主要取决于流体的黏弹性参数、Prandtl数以及Darcy数;(4)随着Rayleigh数的增加,热对流的流场从单个涡胞逐渐演化为多个不规则单元涡胞,最后发展为混沌状态.     

基于蒙特卡罗随机有限元方法的随机多孔介质内流体自然对流不确定性研究

为分析孔隙率不确定性对多孔介质方腔内自然对流换热的影响,发展了一种基于KL(Karhunen-Loeve展开)-蒙特卡罗随机有限元算法的随机多孔介质内自然对流不确定性分析数理模型及有限元数值模拟程序框架。通过K-L展开及基于拉丁抽样法生成多孔介质孔隙率随机实现,并耦合多孔介质自然对流有限元程序,进行随机多孔介质内自然对流传热数值模拟,得出了多孔介质内流场与温度场平均值与标准偏差,并分析了孔隙率不确定性条件下Da数对Nu数的影响。结果表明,孔隙率不确定性对多孔介质方腔内自然对流有重要影响。随机多孔介质内流场及温度场与确定性条件下的流场及温度场存在一定偏差,Nu数标准偏差随着Da的增大先增大后减小。     

横向磁场下侧壁加热方腔熔化的数值模拟研究

磁场下的固?液相变过程在电磁冶金和增材制造等工程应用中广泛存在, 其中的熔化过程和流动机理尚未完全探究清楚. 方腔熔化是研究固?液相变过程的基础模型, 具有良好的普适性, 研究磁场对其流动的影响可以为其他复杂相变过程提供参考. 本文基于焓方法开展了固?液相变的数值模拟研究, 得到了垂直主环流方向的横向磁场对侧壁加热方腔中流动、传热和熔化过程的影响. 首先, 对于无磁场时的方腔熔化问题, 通过与已有的实验结果和数值结果进行对比, 证实了文献中方腔宽度对固?液界面的形状及位置影响不能忽视的结论. 随后, 对小磁场情况下的三维工况进行了直接数值模拟, 发现此时磁场效应主要表现为对混乱三维流动产生整流作用, 使流动趋于二维化. 但由于固?液界面的存在, 主流区的速度在趋于一致的同时也会反作用于界面, 其形状随磁场增强而逐渐转变为二维结构. 最后, 本文采用准二维模型分析了更强磁场时的情形, 讨论了不同参数对传热效率及界面形状的影响, 并发现了横向磁场作用下的垂直最大速度仍满足磁对流中的无量纲参数标度律关系.      

反应堆三角形通道棒束间二次流动的数值研究

采用非线性Ｋ－ε湍流模式数值模拟三角形通道棒束中的二次流动，并考察其对流动和传热的影响。数值方法采用非正交曲线坐标系下求解控制方程的非交错网格方法。计算结果表明该模式能够较为有效地反映棒束中的二次流动，进一步分析表明二次流动有利于改善棒束中的流动和传热特性。     

缝洞型多孔介质中多相流的有限体积法数值模拟

本文研究的碳酸盐岩油藏储集体属于缝洞型多孔介质.这类缝洞型多孔介质由裂缝、溶蚀孔洞和低孔隙度低渗透率的基岩组成.裂缝是空隙流体流动的主要通道;溶蚀孔洞大小从几厘米到数米不等,渗透率和孔隙度都很高,是流体主要的储集空间.由于缝洞型多孔介质空隙空间的复杂性和强非均质性,数值计算中基本控制方程的空间离散应采用非结构化网格的计算模型.本文采用有限体积法模拟缝洞型多孔介质中多相流体的流动,并给出了相应的单元中心格式有限体积法的计算公式.裂缝介质和溶洞介质中单元间多相流体的流动考虑为高速非达西流,其质量通量采用Forchheimer定律计算.非线性方程的离散选取全隐式格式,并采用Newton-Raphson迭代进行求解.通过两个二维模型注水驱油的数值模拟,验证了本文方法的有效性.     

基于POD-Galerkin降维方法的热毛细对流分岔分析

作为流动与传热相互耦合的非线性过程, 热毛细对流有着复杂的转捩过程, 探究流场和温度场随参数变化而发生的分岔现象, 是热毛细对流研究的一个重要课题. 基于本征正交分解的POD-Galerkin降维方法可以通过提取特征模态, 构建低维模型, 实现流场的快速计算. 数值分岔方法可以通过求解含参数动力系统的分岔方程, 直接计算稳定解和分岔点. 探究了将直接数值模拟方法、POD-Galerkin降维方法、数值分岔方法的优势结合, 以提高热毛细对流转捩过程分析效率的可行性. 利用直接数值模拟得到的流场和温度场数据, 构建了不同体积比下, 二维有限长液层热毛细对流的POD-Galerkin低维模型, 在低维模型上采用数值积分及数值分岔方法计算了分岔点, 得到了低维方程的分岔图. 在一定参数范围内, 在低维模型上模拟热毛细对流, 对雷诺数和体积比进行参数外推, 通过与直接数值模拟的结果对比, 验证了低维模型的准确性与鲁棒性. 说明了低维方程可以定性反映原高维系统的流动特性, 而定量方面, 由低维模型和直接数值模拟计算得到的周期解频率的相对误差大约为5%. 验证了利用POD-Galerkin降维方法研究热毛细对流的可行性.      

基于蒙特卡罗随机有限元方法的随机多孔介质内流体自然对流不确定性研究

为分析孔隙率不确定性对多孔介质方腔内自然对流换热的影响,发展了一种基于KL（Karhunen-Loeve展开）-蒙特卡罗随机有限元算法的随机多孔介质内自然对流不确定性分析数理模型及有限元数值模拟程序框架。通过K-L展开及基于拉丁抽样法生成多孔介质孔隙率随机实现,并耦合多孔介质自然对流有限元程序,进行随机多孔介质内自然对流传热数值模拟,得出了多孔介质内流场与温度场平均值与标准偏差,并分析了孔隙率不确定性条件下Da数对Nu数的影响。结果表明,孔隙率不确定性对多孔介质方腔内自然对流有重要影响。随机多孔介质内流场及温度场与确定性条件下的流场及温度场存在一定偏差,Nu数标准偏差随着Da的增大先增大后减小。     

基于多弹簧模型的空间梁柱单元(II):参数分析

为模拟地震作用时杆件在变动轴力和双向弯曲的耦合特点,基于简化纤维模型的多弹簧单元模型近年被广泛应用。本文作者在相关论文中提出了考虑剪切变形弹塑性刚度影响的多弹簧模型空间梁柱单元,杆件的计算模拟精度除了取决于单元模型之外,还决定于两个重要参数:弹簧位置及个数布置、塑性区长度,本文将针对其进行参数分析并提出合理建议取值。本文最后还提出了模拟杆件残余应力的合理弹簧布置方式。     

基于多弹簧模型的空间梁柱单元(Ⅱ):参数分析

为模拟地震作用时杆件在变动轴力和双向弯曲的耦合特点,基于简化纤维模型的多弹簧单元模型近年被广泛应用.本文作者在相关论文中提出了考虑剪切变形弹塑性刚度影响的多弹簧模型空间梁柱单元,杆件的计算模拟精度除了取决于单元模型之外,还决定于两个重要参数:弹簧位置及个数布置、塑性区长度,本文将针对其进行参数分析并提出合理建议取值.本文最后还提出了模拟杆件残余应力的合理弹簧布置方式.     

方腔内自然对流与混合对流的有限差分格子Boltzmann研究

基于有限差分法,建立了贴体坐标系下求解流体流动和传热的双分布格子Boltzmann模型.在密度分布函数和温度分布函数对应的离散速度方程中,时间项采用四阶Runge-Kutta法离散,空间离散采用二阶迎风和二阶中心差分的混合形式.采用此模型分别对瑞利数为10~3、10~4、10~5、10~6的方腔自然对流以及理查森数为0.1、1、10的方腔混合对流进行了数值模拟,获得了流体速度与温度分布的典型特征,得到的努塞尔数也与基准解高度吻合.计算结果表明了本文采用的数值方法和计算程序的有效性.     

环形通道内湍流旋流流动的数值模拟

本文应用一种考虑湍流－旋流相互作用及湍流脉动各向异性的新的代数Ｒｅｙｎｏｌｄｓ应力模型,对环形通道内的湍流旋流流动进行了数值模拟,研究了改主为旋流流数,进口轴向速度及半径比等参数对环形通道内湍流流动的影响,以及对强化环形通道内传热的作用。     

底部热加载下两层多孔介质热流耦合现象研究

底部热加载条件下非线性流动传热问题的求解一直是多孔介质研究领域的难题。采用实验测试及数值模拟的方法,对底部热加载方式下两层多孔介质内热流耦合对流传热解的特性进行了研究。研究结果表明:在小瑞利数工况下,两层多孔介质内骨架内材料比例对温度场分布和非线性特性有重要影响;确定了非线性分叉、震荡解的特征值,并计算出了不同材料比例下的分叉及震荡所对应的临界瑞利数;通过实验验证了底部热加载时两层多孔介质内温度随时间呈非稳态震荡变化。结论可为实现热流分层、局部削弱或强化传热提供参考。     

不同参数下环形通道内湍流旋流流动的模拟

应用一种合理考虑湍流一旋流相互作用及湍流脉动各向异性的新的代数ＲｅｙｎｏｌｄＳ应力模型,对环形通道内的湍流旋流流动进行了数值模拟．研究了旋流数、进口轴向速度和内外半径比等参数对环形通道内湍流旋流流动的影响,以及由此产生的流场变化对强化环形通道内传热的作用．     

喷管内水蒸气非平衡凝结流动数值模拟研究

基于水蒸气非平衡凝结动力学模型和水蒸气真实热力学性质模型,建立了水蒸气跨声速非平衡凝结流动数值模型,对喷管内水蒸气非平衡凝结流动进行了数值模拟,模型成功地捕捉到了凝结激波,并且模拟结果与实验数据吻合较好,证明了所建立数值模型的准确性和可靠性。在此基础上研究了水蒸气在跨声速流动过程中发生的非平衡凝结现象以及对流场产生的影响,发现水蒸气凝结现象对流场的影响非常显著;并对凝结激波的产生过程和原因进行了详细分析。     

方腔中多孔介质自然对流分叉的数值模拟

本文用三次样条方法对充满饱和多孔介质的方腔的底部加热时出现的对流分叉现象进行了数值模拟,得到三个分叉点,观察到了分叉点邻域内流动发展状态,对稳定性与挑动幅度关系做了初步的探讨。     

不同属性肋片对复杂方腔自然对流影响的数值分析

采用二阶全展开Euler-Taylor-Galerkin分裂步有限元方法,在指定的网格密度条件下,在流动对应的普朗特数取为0.71,雷诺数取为104的情况下,数值分析了热肋、冷肋、上绝热肋、下绝热肋等四种不同属性肋片对封闭方腔内典型自然对流流动的影响.计算结果表明,肋片的存在对封闭方腔内的自然对流及相应的传热效率具有较强的影响,对流流动结构以及平均Nusselt数随肋片的属性发生较大的改变.     

考虑热流固耦合作用的多孔介质孔隙尺度两相流动模拟

为了研究深层油气资源在岩石多孔介质内的运移过程, 使用一种基于Darcy-Brinkman-Biot的流固耦合数值方法, 结合传热模型, 完成了Duhamel-Neumann热弹性应力的计算, 实现了在孔隙模拟多孔介质内的考虑热流固耦合作用的两相流动过程. 模型通过求解Navier-Stokes方程完成对孔隙空间内多相流体的计算, 通过求解Darcy方程完成流体在岩石固体颗粒内的计算, 二者通过以动能方式耦合的形式, 计算出岩石固体颗粒质点的位移, 从而实现了流固耦合计算. 在此基础上, 加入传热模型考虑温度场对两相渗流过程的影响. 温度场通过以产生热弹性应力的形式作用于岩石固体颗粒, 总体上实现热流固耦合过程. 基于数值模型, 模拟油水两相流体在二维多孔介质模型内受热流固耦合作用的流动过程. 研究结果表明: 热应力与流固耦合作用产生的应力方向相反, 使得总应力比单独考虑流固耦合作用下的应力小; 温度的增加使得模型孔隙度增加, 但当注入温差达到150 K后, 孔隙度不再有明显增加; 温度的增加使得水相的相对渗流能力增加, 等渗点左移.