甲烷在逆流换热微燃烧器内催化燃烧的数值模拟

本文联合使用CFD软件FLUENT和化学反应动力学软件DETCHEM对甲烷-空气混合物在有逆流换热的微燃烧器内的催化燃烧进行了数值模拟。计算中只考虑了甲烷在催化表面上的反应。燃料-空气混合物的当量比为0.4,燃烧器外壁面与环境采用对流换热边界条件。计算结果表明,同时采用逆流换热和表面催化燃烧可以实现常规方法无法实现的甲烷稳定、高效转变。     

液冷微通道内相变微胶囊的壁面温升抑制特性数值模拟

相变微胶囊悬浮液是一种新型的蓄热-传热功能流体,目前对相变微胶囊与基液流固传递作用认识的欠缺,导致宏观上对悬浮液流动传热性能的研究结果存在较大的差异.为此,本文采用任意拉格朗日-欧拉方法模拟相变微胶囊在液冷微通道内流固作用下的流动传热特性,对比普通颗粒及相变胶囊对液冷微通道壁面温升的抑制作用,考察胶囊位置、形状及数量对壁面温升抑制的影响.结果表明:胶囊及颗粒均对它们上游区域的壁面温升产生抑制作用,而胶囊的相变使得抑制效果更加明显;胶囊越靠近壁面自旋运动越快,越有利于流体与壁面的换热,对壁面温升抑制效果越强,尤其是靠近受热面时;相比椭圆形胶囊,圆形胶囊自旋运动更激烈,对壁面温升抑制效果更优;随着加热区内胶囊数的增加,最大抑制效果在逐渐提升.     

甲烷微尺度催化燃烧的数值模拟

本文联合使用计算流体力学软件FLUENT和可以计算表面反应的化学反应动力学软件DETCHEM对有逆流换热的微尺度燃烧器进行了数值计算。计算中忽略空间反应。燃料-空气混合物的当量比为0.4,反应器壁面采用等温边界条件。计算结果表明,采用催化燃烧可以实现微尺度下通常情况下无法实现的甲烷稳定燃烧。通过适当设置催化表面,可以实现燃料低温、高效转变。甲烷的总转变率受流动状态、反应温度和催化表面的大小等因素的影响。     

微通道内流动沸腾气泡生长特性数值研究

利用FLUENT软件,采用VOF多相流模型对水在矩形微通道内流动沸腾过程中气泡的生长进行了数值模拟,分析了壁面热流密度、入口质量通量和接触角对气泡生长速率的影响,并得到了气泡周围的温度和压力分布。结果表明,壁面热流密度和质量通量的增大导致气泡生长速度的增加,而最小的接触角有最大的气泡生长速度,气泡边界上的温度梯度和压力梯度都较大。     

水介质管路弹性背腔微穿孔消声器的传递损失特性

为抑制水介质管路系统低频噪声,兼顾结构的紧凑性,提出弹性背腔微穿孔管路消声结构,弹性管壁为橡胶帘线复合材料,并推导了传递损失的数值解法。首先,基于Biot-Allard多孔弹性理论,将弹性微穿孔板等效为弹性多孔材料;然后,利用双尺度法建立帘布的周期性代表单元,求得其刚度矩阵;接着,基于分层理论,建立弹性管壁的多层复合材料模型,并与内部声场耦合计算,得到弹性背腔微穿孔管路消声器的传递损失。在水介质驻波管中,利用双声源法测量弹性背腔微穿孔管路消声器样机的传递损失曲线,并与扩张式管路消声器和刚性背腔微穿孔管路消声器进行对比,理论结果与试验结果吻合良好。研究表明,弹性背腔微穿孔管路消声器属于反射耗散复合式消声器,具有低频域、宽频带的消声特性。样机B2在40~300 Hz和40~1200 Hz频段内的传递损失分别为36 dB和30 dB,而相同尺寸扩张式消声器在对应频段的传递损失分别为7 dB和11 dB。     

微圆管内环状流凝结换热特性的数值模拟

本文提出了微圆管内环状流凝结换热的分析模型,考虑了重力、汽液界面剪切力、表面张力以及界面凝结热阻的作用。文中主要研究凝结换热过程中重力、入口蒸汽Re数及外壁面温度的影响。模拟的结果表明,重力对微圆管流动凝结换热的影响非常小,可被忽略;凝结液的排除主要依赖于汽液界面的剪切应力作用,使Nu随蒸汽进口Re数的增加而明显增大;冷却外壁面的温度对凝结换热也具有一定的影响, Nu将随外壁面温度的降低而增大。     

金属表面几何缺陷微细结构对微喷射特性的影响

基于光滑粒子流体动力学方法, 分别采用实测样品几何缺陷模型和简化V形沟槽模型对铅的微喷射过程进行了模拟. 重点分析了金属表面几何缺陷微细结构对微喷射特性的影响, 并将数值计算结果与相应的实验测量值进行对比. 结果表明, 基于实测样品几何缺陷模型计算的最快喷射速度和累积喷射量与实验测量结果符合得很好. 进一步研究发现, 在实测样品几何缺陷诱导的微喷射过程中存在“二次汇聚喷射”现象, 与单次喷射相比, 该过程会诱导产生更高的喷射速度并显著影响微喷物的空间密度分布. 这说明除了受扰动波长、深度影响外,表面几何缺陷微细结构也是影响金属微喷射过程的重要因素.     

质子交换膜燃料电池内传递现象的数值模拟

本文发展了一个质子交换膜燃料电池的三维数学模型,用于研究整个电池内的传递现象,模型全面考虑了流体 流动、热量传递、电化学动力学和多组分传递等物理化学过程。数值求解数学模型获得了电池内详细的温度、反应物浓度 和电流等的空间分布情况。为验证模型的正确性,将估算的电池性能与文献中的实验数据进行了比较。     

不同纳米流体在微通道内的流动传热特性研究

采用数值模拟的方法研究了不同工质在微通道内流动传热特性的差异。对比了去离子水、纳米流体Al₂O₃/Water、CuO/Water、TiO₂/Water、Cu/Water等工质在微通道内的流动传热特性,并研究了纳米颗粒的浓度对流动换热特性的影响。结果表明：CuO/Water作为冷却工质时的对流换热系数比水增加了9.6%,微通道底面平均温度降低了2.6 K,换热性能明显优于其他几种纳米流体。由于纳米颗粒的加入,纳米流体的粘度比水大,进出口的压降比水大。纳米颗粒的体积分数越大,对流换热系数越大,纳米流体在微通道内的换热性能越好。     

微通道冷却器内流动和传热特性的数值模拟

为满足固体激光器用微通道冷却器的换热要求, 根据冷却器结构分别建立了二维和三维物理模型, 利用计算流体力学方法首先对比研究两者的流动特性, 然后考察雷诺数和玻片生热量对微通道流动和传热特性的影响。结果表明:对于类似大平板间的矩形微通道层流流动区域, 其流动及传热特性可直接采用二维简化模型进行模拟分析;对于重点关注的转捩区, 采用三维模型模拟分析更好;当雷诺数增大到转捩点, 流体的传热效果得到明显增强;随着雷诺数的增大, 玻片生热量对通道内最低压力需求的影响逐渐减小;不同玻片生热量对微通道流动影响不可忽略, 对努赛尔数和通道总压降基本无影响。     

微通道冷却器内流动和传热特性的数值模拟

为满足固体激光器用微通道冷却器的换热要求, 根据冷却器结构分别建立了二维和三维物理模型, 利用计算流体力学方法首先对比研究两者的流动特性, 然后考察雷诺数和玻片生热量对微通道流动和传热特性的影响。结果表明：对于类似大平板间的矩形微通道层流流动区域, 其流动及传热特性可直接采用二维简化模型进行模拟分析;对于重点关注的转捩区, 采用三维模型模拟分析更好;当雷诺数增大到转捩点, 流体的传热效果得到明显增强;随着雷诺数的增大, 玻片生热量对通道内最低压力需求的影响逐渐减小;不同玻片生热量对微通道流动影响不可忽略, 对努赛尔数和通道总压降基本无影响。     

多层膜结构载磁微泡声散射特性

搭载有磁性纳米颗粒的包膜微泡,作为一种新型试剂在多模造影、溶栓治疗及靶向药物输运等多领域得以应用及研究.常通过原位测量技术进行微泡研究,而散射解析模型是声反演技术的基础.由空气内核、均匀悬浮磁纳米颗粒的磁流体层及磷脂外层组成多膜层结构载磁微泡,考虑磁流体密度变化及磷脂层黏弹性,通过简正级数法求解多层结构微泡各区域的散射声场.将载磁微泡散射模型与其他气泡进行对比,并数值分析载磁微泡共振散射特性,包括初始半径、磁纳米颗粒体积分数、磁流体层厚度及磷脂层特性参数等对微泡散射影响.结果表明:当膜层中磁纳米颗粒的体积分数α不超过0.1时,颗粒对微泡共振散射的影响具有两面性,既可增强也可减弱散射,主要取决于微泡半径;存在一个临界微泡半径值,微泡半径超过此临界则颗粒将增强微泡散射,反之减弱;微泡半径一定, α不超过0.1时, α取值越高微泡散射越强;膜层材料的拉梅常数和厚度越小的同尺度微泡散射更强.该研究对载磁微泡结构优化设计、原位监测及诊疗应用有理论意义.     

固体激光微通道冷却器内流动特性的数值模拟

建立了固体激光微通道冷却器数学模型,运用商业软件Fluent进行求解计算,并与文献中数据进行对比,验证了模型的可靠性。分析微通道尺寸及结构对转捩雷诺数影响,结果表明:微通道当量直径对于转捩雷诺数影响甚微,收缩比的大小是引起转捩雷诺数不同的关键因素,最终确定了不同收缩比下的转捩雷诺数。     

固体激光微通道冷却器内流动特性的数值模拟

建立了固体激光微通道冷却器数学模型,运用商业软件Fluent进行求解计算,并与文献中数据进行对比,验证了模型的可靠性。分析微通道尺寸及结构对转捩雷诺数影响,结果表明：微通道当量直径对于转捩雷诺数影响甚微,收缩比的大小是引起转捩雷诺数不同的关键因素,最终确定了不同收缩比下的转捩雷诺数。     

超声对近壁微气泡溃灭过程的影响

近壁微气泡溃灭特性的深入研究对靶向给药和基因治疗等技术具有较好的指导作用。该文基于数值模拟技术,采用有限体积法结合流体体积模型对超声作用下的近壁微气泡溃灭特性进行了研究,分析了超声对近壁微气泡溃灭动力学过程的影响。结果表明气泡溃灭最大射流速度与近壁距离无量纲参数γ在1.1～1.6范围内时成正比,与超声频率在10～60 Hz范围内时成正比,与气泡初始半径在50～100μm范围内时成反比;近壁气泡的二次溃灭最大射流速度大于一次溃灭,二次溃灭的作用更加明显。超声参数对近壁气泡溃灭过程存在较大影响,该研究为超声在医学上的应用提供了依据。     

基于纳米磁流体微通道内流动换热性能研究

为探究磁场强度和肋片高度对微通道内Fe₃O₄-H₂O纳米磁流体流动换热性能的影响,采用数值模拟的方法,以开放式间断微通道热沉为研究对象,在雷诺数为200到500之间展开数值模拟研究,模拟微通道内流体工质流动换热过程。结果表明：进出口压降随雷诺数的增大而增大,且随着磁场强度的增大,压降的增大趋势愈显著;微通道的换热性能随着磁场强度的增大,呈现出先增大后减小的趋势;通过增加肋片高度,可以有效的提高热沉的传热性能。研究发现,开放型微通道综合换热性能优于封闭型,在所研究的参数范围内,微通道肋片高度达到0.9 mm时,综合换热性能和均温性最佳。     

超临界水流化床内两相流特性的数值模拟研究

本文基于欧拉双流体模型和颗粒动理学理论,对超临界水流化床反应器内气固两相流特性进行数值模拟,模拟获得了超临界水流化床反应器内颗粒分布特性和最小流化速度,分析了表观速度、压力、温度、初始床层高度对超临界水流化床流动特性的影响.本文的研究对超临界水流化床反应器结构的设计及操作条件的优化具有重要的指导意义.     

微通道内沸腾流动与传热特性耦合机理研究

以水为工质,模拟研究不同条件下水平矩形微通道沸腾流动过程中气泡发生发展及流型演变与温度、压力、传热系数的耦合关系。结果表明：持续吸热的弹状流会占据通道大部分流动区域,易造成堵塞和局部高温;泡状流区域压力波动幅度较小,较长弹状气泡和大雷诺数均会导致较大的局部压降;升高热流密度减小了单相区长度,强化了核态沸腾,提高了通道整体传热性能;增大雷诺数使得通道内气泡尺寸减小,减少了两相流动的不稳定与堵塞现象,通道整体传热性能得以提升。     

微通道蒸发器扁管内制冷剂流动特性模拟分析

采用微通道蒸发器二维模型,研究不同R134a入口雷诺数下,其在蒸发器内的流动及流量分配特性.模拟与实验结果最大误差小于23.8％,验证了模型的可靠性.结果表明,随着雷诺数的增大,蒸发器底部扁管入口速度近似线性增加,扁管低压区从蒸发器中间扁管逐渐上移,压降不断增加,降幅最高可达71％.     

双电层交叠时微通道内流动的数值模拟

本文采用有限容积法数值模拟了在电动效应作用下微通道内流体的流动特性。分别采用Poisson方程和Nernst- Planck方程计算电动势和离子浓度分布。结果表明在双电层相互交叠的情况下,微通道内轴向的流动电势先减小后增大,并逐渐趋于定值,从而导致了轴向电动效应不断增强。