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。     

粗糙多孔腔体自然对流的非正交MRT-LB数值模拟

基于非正交多松弛系数格子Boltzmann(MRT-LB)方法建立了适用于多孔方腔自然对流计算模型,选取典型热流动问题分析了非正交转换矩阵的MRT-LB模型数值准确性和运算效率,布置两种粗糙多孔方腔模型进行研究。讨论了Rayleigh数、粗糙单元个数n、粗糙单元横纵比A等参数对方腔内流动传热的影响,同时给出了各个参数条件下腔内流场与温度场分布。结果表明,非正交MRT-LB模型具有很好的数值准确性和收敛速度,布置粗糙单元使得壁面处流线等温线发生变形,增大粗糙元单元个数n或横纵比A均会恶化方腔传热。     

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。     

封闭方腔内空气和水自然对流每一次分岔数值预报

采用二阶全展开ETG分裂步有限元方法,通过对流动拓扑的详细分析,在排除网格密度影响的基础上,结合二分法给出封闭方腔内空气和水两种典型流体自然对流发生第一次分岔时的临界Rayleigh数。计算结果表明,该方法可用于进行不同Prandtl数条件下方腔内自然对流流动第一次分岔的数值预报,可作为后续各阶分岔及转捩数值预报研究的基础。在相应的条件下,封闭方腔内空气比水更容易发生分岔,且空气的流动结构相对于水表现出一定的倾斜性。     

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.     

基于侵入混沌多项式法的随机多孔介质内顺磁性流体热磁对流不确定度量化

目前流体流动与传热问题的研究大都基于确定性工况条件,而现实流体流动与传热问题中存在着大量不确定性因素,计算流体力学的不确定性量化提供了一种理解流体物性、边界条件与初始条件等不确定性因素对模拟结果影响的能力.为揭示随机多孔介质内顺磁性流体热磁对流的传播规律与演化特征,本文发展了一种基于侵入式多项式混沌展开法的热磁对流不确...     

磁场对多孔介质方腔内空气热磁对流的影响

数值分析了微重力下圆形载流线圈倾斜时多孔介质方腔内空气热磁对流. 磁场计算采用毕奥--萨伐定律求解; 动量方程与能量方程分别采用达西模型与局部热非平衡模型求解. 计算结果表明随着磁场力数\gamma 数和Da数的增加, 方腔内对流变得越来越强. 线圈倾斜角x_{\rm euler}从0^\circ到90^\circ变化时, 对流结果关于x_{\rm euler}=45^\circ呈现对称分布. Nu_{\rm m}数随线圈倾斜角的改变而变化且每个工况下局部最大Nu_{\rm m}数出现在x_{\rm euler}=45^\circ. 局部最小Nu_{\rm m}数出现在x_{\rm euler}=0^\circ, 90^\circ.      

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。     

非定常流函数涡量方程的一种数值解法的研究

对非定常流函数涡量方程的数值求解方法进行了改进,其中流函数一阶导数即速度项采用四阶精度的Hermitian公式,对流项由一般二阶精度的中心差分提高到四阶精度离散差分,包含温度方程在内的离散方程组采用ADI迭代方法求得定常解．以无内热体及有一内热体的封闭方腔内自然对流为例,进行了不同瑞利数（Ra）条件下的数值研究．结果表明,该方法推导简单,求解精度高且计算稳定,适用于封闭腔内高瑞利数复杂混合对流的数值模拟．     

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.     

线性高温壁面多孔介质传热研究

以多孔介质为研究对象,采用整场求解法分析了多孔介质温度场和流场随Ra数的变化.研究结果表明:随着Ra增加,由开始流线均匀分布为一个顺时针大窝,逐渐变化为一个顺时针大窝,一个逆时针小窝;流线出现分叉现象;流线分布在两个窝中间和外侧,即流场在小窝中间剧烈流动而在大窝中央基本上保持静止状态;当Ra很小时,热的传输主要依靠传导作用,随着Ra数逐渐增大,对流作用成为热传输的主要动力;当Ra数小于105时,高温壁面Nu数基本在-110～-17间变化,最大值发生在底部,最大值为17,最小值发生在上部,最小值为-110.     

平面波在双孔隙介质中球形夹杂上的散射

基于拓展的Biot孔隙介质弹性理论,将波函数展开法推广应用到求解平面压缩波在双孔隙介质中单球形理想流体夹杂上的散射问题中.在低频条件下,给出了问题解析解的形式,包括位移场和应力场.由进一步的数值计算结果可知:P1波和S波的一阶谐波振幅随着基质孔隙率的增大而减小,P2波的谐波振幅则增大,而P3波的谐波振幅基本不受其影响;随着裂隙孔隙率的增大,P1波的谐波振幅逐渐减小,P3波和S波的谐波振幅增大,而对P2波的谐波振幅的影响甚微;频率越高,双孔隙介质的基质孔隙率及裂隙孔隙率对其谐波振幅的影响越显著.     

载人列车车厢内空气流场温度场数值模拟

采用稳态不可压缩雷诺时均N-S方程、k-ε湍流模型,计算了载人列车车厢内三维空气流场和温度场。将太阳辐射热和人体散热作为能量方程的附加源项,研究了在条缝送风条件下,乘客和太阳辐射对车厢内流场和温度场的影响。计算结果表明:现有的送风方式除车厢两端外,车厢内沿长度方向气流分布比较均匀;送风口的布置对车厢内流场温度场分布影响较大,送风气流在车厢两侧形成两股比较大的流动旋涡;人体散热和太阳辐射对车厢内流场温度场影响较大,非空载时车厢内流场分布与空载时有较大差别,太阳照射和人体产生的热气流使车厢内存在较大的温度梯度,靠窗处的温度较高,过道处温度较低。流场温度场的计算结果和实验数据吻合较好。     

多孔介质——自由流界面应力跳跃条件下流动特性解析解

对非对称多孔介质--自由流复合通道内多孔介质内部及多孔介质与自由流体界面处复杂质量、动量输运特性进行研究. 在多孔介质区采用Brinkman-extended Darcy模型并结合速度连续,剪切应力跳跃的界面条件对此复合通道内流体的传递现象进行求解,提出了考虑界面应力跳跃时非对称复合通道各区域流体运动速度及摩擦系数的解析式,分析了界面应力跳跃系数,达西数及无量纲多孔层偏心厚度对流体速度及摩擦系数的影响. 结果表明:改变界面性质可在一定条件下明显控制各区域流体速度分布;在达西数、多孔层偏心厚度一定情况下,界面应力系数的增大会使界面流速减小,而使流体摩擦系数增大,特别是界面应力系数小于0的情况下变化更明显,此时若不考虑界面应力系数则会造成较大误差. 当界面应力系数及多孔层偏心厚度均为较小负数值时,改变多孔层偏心厚度对界面速度的影响要大于改变界面应力系数的情况;而当界面应力系数及多孔层偏心厚度为较大正数值时,情况则相反. 较大达西数下,界面应力系数及多孔层偏心厚度对流体摩擦系数的影响均较大,继续减小达西数至一定程度时,界面应力系数对流体摩擦系数的影响可忽略不计而认为只与多孔层偏心厚度相关,且对较大多孔层偏心厚度更敏感.      

多孔介质-自由流界面应力跳跃条件下流动特性解析解

对非对称多孔介质-自由流复合通道内多孔介质内部及多孔介质与自由流体界面处复杂质量、动量输运特性进行研究.在多孔介质区采用Brinkman-extended Darcy模型并结合速度连续,剪切应力跳跃的界面条件对此复合通道内流体的传递现象进行求解,提出了考虑界面应力跳跃时非对称复合通道各区域流体运动速度及摩擦系数的解析式,分析了界面应力跳跃系数,达西数及无量纲多孔层偏心厚度对流体速度及摩擦系数的影响.结果表明:改变界面性质可在一定条件下明显控制各区域流体速度分布;在达西数、多孔层偏心厚度一定情况下,界面应力系数的增大会使界面流速减小,而使流体摩擦系数增大,特别是界面应力系数小于0的情况下变化更明显,此时若不考虑界面应力系数则会造成较大误差.当界面应力系数及多孔层偏心厚度均为较小负数值时,改变多孔层偏心厚度对界面速度的影响要大于改变界面应力系数的情况;而当界面应力系数及多孔层偏心厚度为较大正数值时,情况则相反.较大达西数下,界面应力系数及多孔层偏心厚度对流体摩擦系数的影响均较大,继续减小达西数至一定程度时,界面应力系数对流体摩擦系数的影响可忽略不计而认为只与多孔层偏心厚度相关,且对较大多孔层偏心厚度更敏感.     

密度处理方法在圆柱腔体大温差自然对流数值模拟中的影响

采用Boussinesq近似、不可压-理想气体及密度线性差分三种密度处理方法对大温差(?Tmax=1000K)竖直圆柱腔体的定常自然对流进行了模拟.首先,通过模拟一封闭方腔流动并与文献对比,验证了数值模拟方法的有效性.在此基础上,进一步研究了圆柱腔体中表面曲率κ、瑞利数Ra及温差ΔT的影响,特别是这些因素影响下不同密度处理方法对热壁面平均努谢尔特数Nuave数值结果的影响.结果表明,表面曲率κ是影响圆柱腔体自然对流换热的重要因素,且随着κ的不断减小,其Nuave数会逐渐趋近于方腔对流;同时,在温差ΔT和表面曲率κ较大时,基于Boussinesq近似的方法对Nuave的预测存在较大偏差.     

热肋片宽度对复杂方腔自然对流影响的数值分析

采用笔者等发展的二阶全展开Euler-Taylor-Galerkin分裂步有限元方法,经过对算法精度验证,在确定不同网格密度对计算结果影响的基础上,确定出计算所需网格密度的必要条件,并在指定的网格密度条件下,分析了热肋片宽度对封闭方腔内典型自然对流流动的影响,流动对应的Pr=0.71,Ra=104。计算结果表明,随热肋...     

多层平行裂隙型多孔介质通道内流体流动传热特性

基于Brinkman-extended Darcy模型和局部热平衡模型,对多层平行裂隙型多孔介质通道内的流动传热特性进行研究.获得了多层平行裂隙型多孔介质通道内各区域的速度场、温度场、摩擦系数及努塞尔数解析解,并分析了裂隙层数、达西数、空心率、有效热导率之比等对通道内流动传热特性的影响.结果表明:达西数较小时,通道多孔介质层内会出现不随高度变化的达西速度,此达西速度会随裂隙层数的增加而增大,但却不受各裂隙层下多孔介质层位置变化的影响.增加裂隙层数会减弱空心率对压降的影响,会使通道内流体压降升高,但升高程度会逐渐降低.增大热导率之比或减小空心率会使多裂隙通道内出现阶梯式温度分布,而在较小热导率之比或较大空心率时多裂隙情况下的温度分布曲线会趋于一致.此外,当热导率之比较小时,多层裂隙通道内的传热效果在任何空心率下都要优于单裂隙情况,当热导率之比较大时,存在临界空心率使各裂隙层数通道内的传热效果相同,且多裂隙通道内继续增加裂隙层数对传热强度影响不大.     

机械密封动环外周表面织构换热机理及结构优化

本文中以接触式机械密封为研究对象,考虑端面摩擦热,建立了包含密封环及密封腔的三维轴对称传热模型,并采用Fluent软件进行了传热分析,得到了密封环及密封腔的流场、温度场、速度场和Nusselt Number(Nu数)分布情况. 通过分析织构及其周边的流场、流态和温度场,揭示了织构的对流换热机理,主要研究了等边三角形织构的深径比、排数、排间距、排列方式和方向角等几何因素对端面温度的影响,并对等边三角形的结构参数进行了优选. 结果表明:动环外周表面织构具有增强对流换热效果和降低密封环整体温度的能力;织构的型式、深径比、个数以及排列方式均会对其换热效果产生影响,其中织构个数和旋转角影响较大,且三角形织构具有较强的换热能力,为今后高性能机械密封的优化设计及应用提供了理论依据.