微重力环境下Marangoni对流的有限元数值模拟

本文以悬浮区为背景研究液桥中气液交界面上由表面张力所驱动的流体对流。我们采用有限元方法对轴对称、定常运动方程,能量方程,自由面切向、法向应力平衡条件迭代求解,首次考虑了边界形状的影响,得到了自洽的流区位形和流场、温度场、表面压强分布。一般说来,流区自由面呈弯月形。结果表明,只要表面张力数 C_a<1,静态平衡的流区位形就是动态情况的良好近似。本文还分析了C_a数及G_r 数对流区位形的影响,得到了不同 M_a 数及散热条件下的温度场和流函数分布。     

共线式热电发电机在侧面散热情况下的性能

热电材料是一种环境友好型功能材料,其可以实现热能与电能的相互转化,在热电发电、热电制冷中具有许多应用.传统的热电发电机为$\pi$型结构,要求热电腿的长度相等,在某些情况该结构不利于热电发电机的优化设计.热电发电机在高温工况下会引起强烈的热应力甚至应力集中,从而缩短了其工作寿命.另外,热电发电机的工作温度于环境温度,这样必然会有一部分热量散失到环境中,从而影响热电发电机的性能.针对该现象,本文建立了考虑散热的新型共线式热电发电机模型,该模型的热电腿可以独立进行优化,基于有限元方法,对考虑侧面散热的共线式热电发电机进行了仿真模拟,分析了其在狄利克雷边界条件下的热电性能和力学性能,得到了热电发电机的温度场、电势场、应力场,探究了不同强度的对流散热系数对热电发电机热电性能和力学性能的影响.结果表明,对流散热会降低热电发电机的能量转化效率,当对流换热系数达到~100W/(m$^{2}\cdot$\textcelsius) 时,效率为~0.0479,该值比绝热状态的转化效率0.066 7 低28%.对流散热使热电发电机侧面热损失增加,降低了热应力.在实际应用中,应合理优化设计隔热系统,提高能量的转化效率.      

多层流体的Marangoni对流

介绍微重力环境下矩形液池中多层不相混液体的Marangoni对流及其不稳定性.Marangoni对流流动的形成是由于在该系统施加一个与液体交界面相垂直的外加温度梯度.Marangoni对流的线性不稳定性分析是基于无限延长矩形液池内的两层流体系统.应用数值模拟研究了Marangoni对流的流体动力学和热传输特性,将多层流体的Marangoni对流同两层流体中外加温度梯度与流体交界面平行时引起的热毛细对流的主要特征进行了比较.     

热毛细对流的液桥几何位形及浮力效应

本文讨论重力对不同高度、直径比液桥的热毛细对流的影响。当液桥高度、直径比增大时,液桥中的等流函数线呈双涡结构,这种流动图样并不必然与热毛细振荡流相联系。在地面热毛细对流实验中模拟空间微重力情况,液桥高度需小于1.5mm。在微重力环境中,液桥内的流场和温度分布介于地面相同参数液桥的上部加热和下部加热两种结果之间。因此,可以用地面实验结果估计空间液桥的对流和热输运情况。     

应用ESPI研究水平热管的自然对流现象

本文应用 Vintens ESPI、全息干涉及新发展的 Video 的全息干涉技术,研究了水平热管的自然对流现象。介绍了这三种技术的光学系统,和关于气体温度场的测量原理和测量结果。与热电偶所测温度值比较,结果相当一致。文中还就可能的测量误差作了定性分析。     

半浮区液桥热毛细对流速度场特征

液桥流场的速度分布是液桥表面张力梯度驱动对流的一个重要研究内容。通过地面模拟微重力环境的液桥实验以及数值计算,研究了外加温差、液桥腰径等对流场速度分布的影响,实验结果与数值计算结果相当符合。结果还表明,当液桥腰径减小时,流场的结构发生了变化,涡心由一个转化成两个。     

容器形状和冻结行为对储能效率影响研究

本文采用计算流体力学分析方法,分析了冰储能过程中水的固-液相变行为和由此产生的自然对流现象的特征。特别地,本文着重研究了安装在冰储能器中的换热器周围的冻结行为和桥接过程对储能效率的影响。为了研究冻结行为和桥接过程中产生自然对流对储能效率的影响,改变了容器的高宽比,并采用椭圆形换热器以促进对流的形成。采用潜热与比热相结合的单域计算模型,分析了两椭圆形换热器在冻结过程中的水温分布特征、速度分布特征以及冻结率。研究发现容器内对流方向的趋势是由水的初始温度决定的,并且容器宽度越大,高度越高,冻结率效率越高。     

超临界CO2-DME混合物竖直圆管内传热特性数值研究

本文采用RNG k-ε湍流模型对超临界CO₂/DME(二甲醚)二元混合工质在竖直圆管内的传热特性进行了数值模拟研究。管径4 mm,管长为1000 mm;CO₂/DME浓度配比分别为97/3、95/5、92/8、90/10、85/15、以及70/30;质量流速为125~200 kg·m^-2.s^-1;热流密度为15~30 kW.m^-2,入口温度295~308 K,入口压力8~15 MPa。不同浓度配比的混合工质在各自临界压力下应用时,随着DME浓度的增加,换热系数的峰值逐渐减低,但在温度大于310 K时混合工质的换热系数会高于纯CO₂。压力相同时,随着DME浓度的增大,拟临界温度升高,换热系数峰值点也随之向温度升高的方向移动。混合工质的换热系数随质量流速的增大而增大。在拟临界点前,增大热流密度及降低压力对管内传热有利,而在拟临界点之后,换热系数随热流密度的升高以及压力的降低而降低。     

倾斜层中的对流斑图及其临界条件

通过二维流体力学基本方程的数值模拟，探讨了Prandtl(普朗特)数Pr=6.99时，倾斜矩形腔体中的对流斑图和斑图转换的临界条件.根据倾角θ和相对Rayleigh(瑞利)数Ra_r的变化，倾斜矩形腔体中的对流斑图可以分为:单滚动圈对流斑图、充满腔体的多滚动圈对流斑图和过渡阶段的多滚动圈对流斑图.当θ一定时，随着Ra_r的减小，系统由充满腔体的多滚动圈对流斑图过渡到单滚动圈对流斑图.这时，对流振幅A和Nusselt(努塞尔)数Nu随着Ra_r的增加而增加.当Ra_r=9时，随着θ的增加，系统由充满腔体的多滚动圈对流斑图过渡到单滚动圈对流斑图，这时对流振幅A随着θ的增加而减小，Nusselt数Nu随着θ的增加而增加.在θ_c-Ra_r平面上对多滚动圈到单滚动圈对流斑图过渡的模拟结果表明， 在Ra_r=2时, 腔体中没有发现多滚动圈对流斑图.在Ra_r为2.5左右时，腔体中出现多滚动圈到单滚动圈对流斑图的过渡.当多滚动圈到单滚动圈对流斑图过渡的临界倾角θ_c<10°时，θ_{c随着Rar的减小而增加.当θc>10°时，θc随着Rar的增加而增加，在Rar≤5时，θc随着Rar的增加而迅速增加；当Rar>5时，θc随着Rar的增加而缓慢增加.θc与Rarθ的关系与Rar类似}     

求解一维对流方程的高精度紧致差分格式

本文提出数值求解一维对流方程的一种两层隐式紧致差分格式,采用泰勒级数展开法以及对截断误差余项中的三阶导数进行修正的方法对时间和空间导数进行离散.格式的截断误差为O(τ~4+τ~2h~2+h~4),即该格式在时间和空间上均可达到四阶精度.利用von Neumann方法分析得到该格式是无条件稳定的.通过数值实验验证了本文格式的精确性和稳定性.