浮升力和流动加速对超临界CO2管内流动传热影响

基于单相流体的概念,超临界流体的异常传热行为已经被研究很多年了,但是关于其流动传热机理仍没有统一的认识.本文通过理论分析和实验研究了超临界二氧化碳在竖直管内向上流动过程中,浮升力和流动加速效应对其流动结构和传热过程的影响.结果表明,没有确凿的实验证据表明超临界流体的异常传热行为是浮升力和流动加速直接导致的,存在的估计浮升力和流动加速效应准则均是在常物性流体的基础上,做了大量假设得出的,不同的研究者采用浮升力和流动加速准则分析超临界流体的传热恶化得出的结论不一致.最后,基于拟沸腾理论分析超临界流体的传热恶化过程,提出超临界沸腾数区分了超临界流体正常传热与恶化传热的转换边界,为超临界流体流动传热研究提供新思路,超临界沸腾数对建立用于不同技术的超临界流体动力循环的最佳运行条件具有重要意义.     

改性二氧化硅纳米颗粒提高二氧化碳泡沫稳定性的研究

通过纳米二氧化硅的硅烷化改性, 使其在高矿化度盐水中可以稳定存在的前提下, 研究了改性纳米颗粒与阳离子表面活性剂十二烷基三甲基氯化铵混合体系的溶液稳定性及协同稳定CO₂泡沫的效果. 研究结果表明, 无机盐离子对改性纳米颗粒与阳离子表面活性剂间的静电吸引力具有屏蔽作用, 且矿化度越高, 屏蔽效果越明显, 从而混合溶液更易于在高盐水中稳定; 纳米颗粒表面的活性剂吸附层受二者浓度的影响, 进而影响了颗粒的亲/疏水性; 当混合体系中的表面活性剂浓度低于临界胶束浓度(CMC)时, 混合溶液与CO₂的界面张力高于单独活性剂溶液, 而当活性剂浓度高于CMC时, 对CO₂-溶液界面张力几乎无影响, 最低界面张力可降至6 mN/m左右; 改性纳米颗粒的加入可以进一步提高CO₂体相泡沫半衰期一倍以上, 但受二者浓度比例的影响; 纳米颗粒的加入有效提高了多孔介质中泡沫的表观黏度, 最大增幅由20 mPa·s增至55 mPa·s左右, 泡沫黏度增加接近3倍, 增强了CO₂泡沫驱的封堵作用.     

颗粒材料三维应力路径下的接触组构特性

颗粒材料的宏观应力变形特征与其微观接触力、组构等紧密相关.一般而言,强接触系统属于颗粒内部体系的传力结构,其对应的组构张量是影响宏观应力性质的重要因素.细观数值方法(如离散单元法)能够反映物理试验的基本规律,并且可以方便地提取宏微观数据来研究颗粒体系的应力变形机制.采用离散单元法(discrete element method,DEM)进行一系列等$p$等$b$应力路径下颗粒材料的真三轴试验,在此基础上研究了三维应力路径下颗粒材料的宏微观力学参数的演化过程、三维组构张量与应力张量多重联系以及强接触体系反映的宏观应力特征.研究表明:颗粒体系偏应力峰值状态和临界状态均存在与加载路径无关的宏微观特征;三维应力路径下组构张量与应力张量存在非共轴性,但其联合不变量演化过程表现出加载路径无关的特征;与弱接触系统的组构张量相比,强接触系统的组构张量更能反映宏观应力张量的特征;强弱接触体系的组构张量对颗粒体系宏观响应的贡献不同,其分界点存在一定取值范围,但采用平均接触力较为简单合理.      

主动射流控制水翼空化的数值模拟与分析

为了改善高速流动工况下水翼吸力面上流场的空化特性,提出了水翼表面主动射流对绕水翼周围流动加以控制的方法.基于密度分域滤波的FBDCM混合湍流模型联合Zwart-Gerber-Belamri空化模型,分析了来流空化数为0.83,来流攻角为8°,射流位置距水翼前缘为x=0.19c时,主动射流对于水翼吸力面上流动的空化特性和水动力特性影响.对回射流的强度进行了量化分析,以探究回射流与流场空化特性的关系.数值分析结果表明,在射流水翼吸力面上的时均空泡体积为原始水翼的1/15,使得流场内空化流动由云空化状态转变为较为稳定的片空化状态,显著地削弱了云空化的发展.此外,射流极大地改善了水翼的水动力性能,使得水翼的升阻比较原始水翼提高了22.9%,空泡的脱落频率减少了26.2%,空泡脱落所引起的振幅减小了9.1%.射流大幅降低了水翼吸力面上低压区面积,水翼吸力面上流体的逆向压力减小,回射流强度降低;同时,射流使水翼吸力面上的边界层减薄,增强了流动的抗逆压梯度能力,一定程度上阻挡了回射流向水翼前缘的流动,这也从机理上分析了主动射流抑制空化的原因.      

砂土类材料离散元细观参数的自动识别

准确的细观参数是采用离散元进行合理模拟的前提,基于最优化理论,本文提出了一种砂土类材料离散元细观参数的自动标定方法:采用PFC离散元软件模拟砂土的双轴压缩试验,以使PFC数值模拟的应力–应变曲线与某标准砂土室内双轴压缩实验结果的误差最小为优化目标,采用模式搜索法实现砂土类材料离散元细观参数的自动标定。本文提出的离散元细观参数自动标定方法具有识别效率快,精度高的优点。     

垂直旋转流场中单颗粒运动状态判别及受力分析

为研究单颗粒在旋转流场中的运动状态及受力情况,以毫米级球形颗粒为例,利用旋转流场颗粒运动装置,通过使用摄像机记录颗粒在流场中的运动轨迹以获取其运动参数,分析了不同转速和颗粒直径条件下颗粒的运动轨迹,拟合得到了颗粒运动状态判别公式以及颗粒运动轨迹公式,分析了颗粒在旋转流场中的受力情况。结果表明,颗粒在旋转流场平衡状态下运动状态主要分为两类,一类是未离开壁面保持静止,另一类是离开壁面保持稳定周向运动;颗粒进行周向运动的轨迹为椭圆形,并且圆心随着转速的增大靠近旋转中心,而随着粒径的增大靠近壁面;颗粒在旋转流场的运动过程中主要受到离心力和旋转科式力作用。     

磁性纳米颗粒系统偶极相互作用的Monte Carlo研究

采用局域Monte Carlo方法模拟不同易轴分布的简单立方排列单分散单畴Fe纳米颗粒系统的ZFC-FC曲线及磁滞回线.结果表明：随着偶极相互作用的增强，系统的阻塞温度T_B逐渐增大，且ZFC曲线的峰变宽.说明偶极相互作用使得系统的有效能垒提高，分布宽度增加.研究FC曲线磁化强度的倒数与温度关系，发现偶极相互作用系统中存在反铁磁有序.系统的阻塞态及超顺磁态的磁滞回线表明，极低低温下，随着偶极相互作用的增强，系统的矫顽力和剩磁减小，偶极相互作用阻碍系统的磁化；系统处于超顺磁态，各向异性作用及偶极相互作用使得系统的磁化曲线偏离Langevin曲线且偶极相互作用展现出退磁相互作用效应.偶极相互作用增强，系统磁化曲线与Langevin曲线偏差量的最大值向低场移动.在偶极相互作用下，易轴与外场夹角为45°的磁性纳米颗粒系统的平均有效能垒和有效能垒分布宽度较易轴随机分布系统的大.