含不同形状内热源的圆管内纳米流体自然对流及换热数值研究

采用格子玻尔兹曼方法对有三种恒温热源（圆形、三角形、方形）参与的圆管内纳米流体（铜-水）自然对流进行数值研究。主要研究瑞利（Ra）数,纳米颗粒体积分数以及热源几何形状等控制参数对纳米流体的流动与传热的影响。结果发现纳米颗粒体积分数的增加有利于强化传热,且在Ra数较小时,平均努塞尔（Nu）数增加的幅度要优于Ra数较大的情况。在所研究的控制参数范围内,方形热源的平均Nu数最大。根据数值结果给出不同热源表面的平均Nu数、纳米颗粒体积分数、Ra数三者之间的函数关系式,该函数关系可为此类工程的设计提供理论指导。     

电场作用下锥翅表面强化池沸腾换热的介观数值方法

采用耦合电场模型的相变格子Boltzmann模型,数值研究了电场作用下锥翅结构表面的饱和池沸腾换热.为了定量分析电场对锥翅结构表面沸腾换热影响的机理,首先在无电场作用下对比调查了平滑表面和锥翅表面的沸腾换热现象.发现锥翅结构在核态沸腾阶段有更多的成核点,沸腾换热性能增强,临界热流密度(critical heat flux,CHF)提高.而在过渡沸腾阶段以及膜态沸腾阶段,由于锥翅结构增加了锥翅表面流体的流动阻力,阻碍了气液交换,换热性能低于平滑表面.基于以上发现,通过对锥翅表面池沸腾过程施加电场,进一步强化了锥翅表面沸腾换热.结果表明,在起始核态沸腾阶段,电场的存在稍微延后了气泡开始成核时间,气泡尺寸减小,沸腾轻微被抑制;充分核态沸腾阶段,由于电场力的作用以及电场与锥翅结构协同表现出的尖端效应,阻止了加热表面干斑的扩散和蔓延,促进沸腾换热;过渡沸腾以及膜态沸腾阶段,尖端效应更加明显,逐渐增大的电场强度使沸腾在更高过热度下处于核态沸腾状态,沸腾换热性能大幅度提高,且CHF逐渐提高.     

微通道内不混溶气液两相二氧化碳界面动力学行为的格子Boltzmann研究

将高精度的二氧化碳状态方程与气液两相流格子Boltzmann方法中的伪势模型耦合,研究微通道内二氧化碳气液两相流动的界面动力学行为,包括二氧化碳气泡和液滴的分裂、合并、变形,以及气液两相二氧化碳在演化过程中的质量交换.研究发现：当分裂和合并行为达到平衡,并且两相之间不发生质量交换时流动达到稳态.稳态时的流型主要依赖于表面张力,惯性力,管道的润湿性,以及初始体积分数.当表面张力较大时,微通道内形成的二氧化碳气泡或液滴会收缩成圆形,此时二氧化碳气泡或液滴会堵塞微通道,形成段塞流;随着表面张力的减小,形成的气泡或液滴不容易收缩,在微通道内更容易发生变形,出现泡状流或环状流.当壁面润湿性为强疏水性时,二氧化碳在微通道中的流动为环状流,其它润湿性下,流型为段塞流.体积分数较小时,二氧化碳两相流动的流型为段塞流,体积分数较大时,流型为环状流.     

考虑Soret和Dufour效应的方腔内双扩散自然对流格子Boltzmann模拟

采用格子Boltzmann方法,考虑Soret和Dufour效应,对内置高浓度发热圆的方腔内部双扩散自然对流现象进行数值模拟.高浓度发热圆位于方腔中心,四周壁面均为低温低浓度.在该模型中,用三个独立的LBGK方程分别模拟速度场、温度场和浓度场,并通过Boussinesq近似将它们耦合起来.分析Soret数和Dufour数对方腔内部双扩散自然对流的影响,得到流线图、等温线图、等浓度线图、发热圆表面平均Nusselt数和平均Sherwood数.结果表明：Soret和Dufour效应对方腔内双扩散自然对流影响明显,不能忽略.     

基于Soret和Dufour效应的方腔内双扩散自然对流振荡特性研究

采用格子Boltzmann方法模拟研究了方腔内带Soret效应和Dufour效应的双扩散自然对流振荡特性.方腔内置高浓度发热圆且位于方腔中心,四周壁面均为低温低浓度.采用时间历程分析法和功率谱法分析了不同的浮升力比Br(2.0≤B_r≤10.0)、Soret数Sr(-0.6≤S_r≤0.0)和Dufour数Df(-0.6≤D_f≤0.0)下的方腔内部流动的振荡特性.研究结果表明:不考虑Soret和Dufour效应时,方腔内部流动呈现稳定状态,随着Df和Sr从0.0变化到-0.6,双扩散自然对流状态开始逐渐转变为周期性振荡和非周期性振荡,且振荡性随着浮升力比Br的增大而增强.     

复杂微通道内非混相驱替过程的格子Boltzmann方法

本文采用改进的基于伪势模型的格子Boltzmann方法研究复杂微通道内的非混相驱替问题.这种方法克服了原始伪势模型中计算结果对网格步长的依赖.首先用Laplace定律验证模型的正确性,然后用该方法研究壁面润湿性、粗糙结构、黏性比以及距离对非混相驱替过程的影响.模拟结果表明:与壁面粗糙结构和黏性比相比,壁面润湿性的影响是决定性的因素.随着接触角的增加,驱替效率增加,当接触角大于某一值后,驱替效率不再变化;随着黏性比的增加,驱替效率增加;而壁面粗糙性对驱替过程的影响较复杂,只有凸起半圆的半径在一定范围内增加时,驱替效率增加;距离较小时将促进驱替过程.     

格子Boltzmann方法分析加热尺寸和瑞利数对可变形开口腔内自然对流的影响

采用格子Boltzmann方法对可变形腔体内自然对流问题进行数值研究，给出平均努赛尔数的经验关系式.腔体左壁加热长度分为左壁面的整个区域（H）和左壁面的中间区域（0.5H）两种情况，右壁向外界环境开放，上下边界绝热且可以上下移动，以此调节右出口尺寸.主要研究瑞利数（10⁴ ≤ Ra ≤ 10⁶），右出口尺寸（1.0H ≤ L ≤ 2.0H），左壁加热尺寸（L_h=0.5H或L_h=H）对腔体内等温线、流线、局部努塞尔数和平均努赛尔数的影响.结果表明：腔体内换热随着瑞利数的增大越来越强烈，表现为椭圆形准静止区域更加靠近上绝热壁，且热分层厚度逐渐变小，平均努赛尔数增加.而右出口尺寸的增加，对于两种加热尺寸下腔内的换热效果有不同程度影响，其中与加热尺寸为左壁面的全部区域L_h=H相比，加热尺寸为左壁面的中间情况L_h=0.5H时，右侧开口尺寸的增加对换热效果的影响不显著.此外，左壁加热尺寸为0.5H时显示出比加热尺寸为H时更高的平均传热效率.最后，针对不同的加热尺寸，提出加热面平均努赛尔数与Ra数及右壁面开口尺寸L^*之间函数关系的经验预测，拟合效果满足工程实践与设计需要.     

Lattice Boltzmann Study on the Motion of Dual Droplets in Microchannels With Contact Angle Hysteresis北大核心CSCD

接触角滞后表现为流体在非理想固体表面上运动时前进接触角和后退接触角不同,是两相流体在润湿表面上流动的重要现象.该文采用改进的伪势格子Boltzmann(LB)多组分模型,并与几何润湿边界条件相结合,研究了两个液滴在具有接触角滞后性微通道表面上的运动行为,主要研究了通道内特征数、通道表面性质以及液滴初始参数的影响.研究结果表明：毛细数的增大有助于液滴的移动,然而并不利于液滴的排出,且毛细数的增加对上游液滴的影响大于其对下游液滴的影响;另一方面,接触角滞后性窗口越大,液滴运动和形变更迟缓,但形变程度更明显,两液滴更早地发生合并,但更晚地排出管道;液滴间距的增加使液滴的运动行为在不同阶段表现为不同的模式,但都导致通道中残留小液滴,使得液滴排出通道的时间增加.研究结果还表明：上游液滴和下游液滴的相对尺寸差距越大,越不利于液滴排出管道.     

T型微通道内液滴在幂律流体中运动机理的格子Boltzmann方法研究北大核心CSCD

采用非Newton不可压两相流格子Boltzmann模型研究了T型微通道内Newton液滴在非Newton幂律流体中的运动过程.研究了非Newton流体幂律指数n、主管道毛细数Ca、两相流量比Q、两相黏度比M以及主管道壁面润湿性θ对液滴在T型微通道内的形成尺寸、形成时间和变形参数(DI)的影响.研究结果表明:首先,主管道流体幂律指数n从0.4增加到1.6时,液滴的形成尺寸近似呈线性减小,而液滴的形成时间和变形参数先快速减小,然后缓慢减小;其次,黏度比对液滴形成尺寸、液滴形成以及变形参数的影响与幂律指数的影响基本一致;再者,随着Ca和主管道壁面润湿性的增加,形成液滴的尺寸近似呈线性减小,形成液滴的时间和变形参数先快速减小然后缓慢减小,且减小趋势随幂律指数的增加而减缓;最后,研究结果还表明主管道和子管道的流量比Q越大,液滴形成时间越长,液滴形成尺寸和变形参数越小.     

热质双扩散与流固共轭传热及吸附的LBM模拟

采用格子Boltzmann方法,基于孔隙尺度,对填有均匀介质的复合方腔顶盖驱动双扩散混合对流及流固共轭传热、吸附进行数值模拟.在孔隙率ε=0.79,普朗特数Pr=0.7,格拉晓夫数Gr=10⁴和路易斯数Le=1.0时,就不同浮升力比（-100≤Br≤100）和吸附率常数（0.001≤k₁≤0.005）对方腔内部热质传输的影响进行比较.给出流线、等温线、等浓度线、平均努赛尔数Nu_av、舍伍德数Sh_av和吸附量等.结果表明Br通过改变介质所处流场的浓度分布影响吸附,而k₁的增加显著地提高吸附效率和吸附能力.