发汗冷却中流动与换热的数值模拟

本文采用改进的低Re数k-ε模型-低Re数kθ-εθ模型以及局部非热平衡模型,将主流区和多孔壁面区进行耦合,通过数值模拟研究了发汗冷却过程中的流动与换热问题。计算结果表明:多孔壁面中靠近主流区的部分温度梯度很大;随着冷却剂流量的增大,壁面上的最高温度明显下降;就本文所选取的参数而言,在发汗冷却所用的冷却剂的量占总流量的1％左右时,冷却效果非常明显。     

发汗冷却换热过程的实验研究与数值模拟

本文对水平矩形槽道内湍流对流换热与发汗冷却进行了实验研究和数值模拟。实验结果表明:随着冷却气体流量的增加,发汗冷却壁面温度、局部对流换热系数和Nu数都迅速下降;在注入率为1％时,壁温下降了约40％,对流换热系数降低至50％左右。随着注入率的增大,壁面热流先是增加,在F=0.7％-0.8％左右时达到一个最大值,随后下降。St/St0随着注入率的增大而降低; St／St0的实验值与由已有关联式以及数值计算得到的值基本吻合。     

基于蚯蚓背孔射流的仿生射流表面减阻性能研究

为了减小流体对固体壁面的阻力, 基于蚯蚓生物学特征, 对蚯蚓背孔射流特性进行分析, 建立仿蚯蚓背孔射流的仿生射流表面计算模型, 采用SST k-ω 湍流模型对仿生射流表面的减阻特性进行数值模拟, 同时对数值模拟结果进行实验验证, 并以此研究了仿蚯蚓背孔射流表面的减阻机理.结果表明, 在一定条件下, 仿蚯蚓背孔射流的仿生射流表面具有较好的减阻效果; 在同一射流方向角下, 随着射流速度的增加, 减阻率逐渐增大; 在同一射流速度下, 随着射流方向角的增加, 减阻率呈先减小后增大的变化趋势; 数值模拟与实验均在射流速度为1 m·s^-1、射流方向角为-30°时达到最大, 分别为8.69%, 7.86%; 射流表面改变了原有光滑壁面的边界层结构, 对壁面边界层进行了有效的控制, 减小了壁面的剪应力, 降低了壁面边界层的速度.     

发汗冷却过程中多孔壁面内的局部非热平衡分析

本文采用局部非热平衡模型对发汗冷却过程中多孔壁面内的换热和流动进行了数值模拟,分析了影响多孔介质内固体骨架与流体的温度及温差分布的因素,研究了这些因素对发汗冷却过程的影响规律.计算结果表明:增大固体骨架的导热系数、增大冷却剂流速或者加强冷端换热有利于提高发汗冷却效率.     

壁面局部吹吸边界层感受性的数值研究

目前理论、实验以及数值模拟主要研究自由来流中的小扰动与壁面局部粗糙相互作用激发边界层感受性问题. 但是, 针对自由来流湍流与壁面局部吹吸相互作用诱导边界层感受性的相关报道甚少. 本文采用直接数值模拟和快速傅里叶变换的方法, 数值研究了二维平板壁面具有局部吹吸的边界层感受性问题. 结果发现, 在二维边界层内能找到一组被激发产生的Tollmien-Schlichting(T-S)波波包的包络序列以及从波包中能够分离出一组稳定的、中性的和不稳定的T-S波, 证明了二维边界层内感受性现象的存在性. 经数值计算获得了T-S波波包传播的群速度; 并建立了自由来流湍流强度、壁面局部吹吸强度和长度与二维边界层感受性之间的关系, 获得了与Dietz感受性实验相类似的结论. 另外, 还发现在自由来流湍流与壁面局部吹、吸相互作用下能诱导二维边界层内产生相位相反的T-S波. 依据这一理论机理来优化设计局部吹吸装置, 不但能促使层流向湍流转捩的提前, 也可以延迟转捩过程的发生, 达到控制湍流运动的目的.     

边界条件局部变化对二维发汗冷却的影响

本文通过对发汗冷却的多孔区域进行二维非热平衡数值模拟,研究了多孔介质区域进口处对流换热系数、冷却剂流量局部降低以及多孔介质受热表面热流密度局部增大对青铜、陶瓷两种不同多孔材料的温度场的影响。计算结果表明,冷却剂在进口处与多孔壁面对流换热系数的增大使多孔介质内部趋向于热平衡;热端壁面对流换热系数、冷却剂流量的局部变化对陶瓷多孔壁面在该局部区域的影响要大于青铜多孔壁面,但青铜多孔壁面受影响的区域更大,而冷却剂流量的局部降低对两种材料固体、流体间温差的影响程度基本一致。     

高负荷低压涡轮边界层转捩预测及其机理分析

本文利用数值模拟方法在不同雷诺数、自由来流湍流度(FSTI)下对某高负荷低压涡轮叶型边界层转捩流动进行了数值模拟,并与实验测试结果进行了对比。结果表明:该转捩模型在不同的雷诺数和FSTI情况下均可以得到满意的数值计算结果,而仪仪利用湍流模型得不到合理的计算结果;当进口特征雷诺数较低时,叶型表面长分离泡的出现在很大范围内改变了壁面处的静压分布;随着自由来流湍流度的提高,叶型吸力面分离点的位置靠后且其对应的再附点位置靠前,即分离泡长度较短,高来流湍流度可以减小叶型吸力面的分离区域,减小叶型损失。而较低的自由流湍流度则在叶型尾缘对应着较长的分离泡,增大了流动分离再附的预测难度。     

粗糙壁面上湍流边界层的直接数值模拟

本文采用多重直接力内嵌边界法计算流体与粗糙壁面之间的相互作用力,直接数值模拟了粗糙壁面上湍流边界层的流动状况。粗糙壁面则通过流向和展向分别叠加正弦函数的方法产生。研究发现,峰值较大的位置优先诱导产生出涡结构,并且加大了涡结构的倾斜角度。此外,较大峰值处的粗糙度所产生出的"喷出"和"扫入"事件更加强烈,其对外层的作用范围也就更大。同时粗糙壁面的峰值大小对于雷诺应力的输运也起着至关重要的作用。     

压缩拐角激波/湍流边界层干扰特性分析

用大涡模拟方法对Mach数3.0下的压缩拐角激波/湍流边界层干扰问题进行数值研究.对拐角上游平板区域边界层转捩及湍流进行模拟,设定平板区域长度,使得转捩过程于平板区域发生并充分完成,从而在拐角处产生激波/湍流边界层相互干扰,研究激波/湍流边界层的作用机理.研究表明:流场能够在非定常扰动激励下迅速转捩,并于平板区发展为完全湍流;湍流边界层与激波相互作用过程中,拐角附近分离区较层流情况明显减小;展向不同区域分离区大小差异较大,局部区域分离现象消失.     

正弦波沟槽对湍流边界层相干结构影响的TR-PIV实验研究

利用高时间分辨率粒子图像测速(time-resolved particle image velocimetry, TR-PIV)技术,在不同雷诺数下对光滑壁面和二维顺流向、三维正弦波(two/three dimensional, 2D/3D)沟槽壁面湍流边界层流场进行了实验测量,从不同沟槽对湍流边界层相干结构影响的角度分析了其减阻的机理.对比不同壁面的各阶统计量结果发现:沟槽降低了壁面摩擦阻力,存在减阻效果,正弦波沟槽的减阻率增大.运用相关函数、λ_(ci)检测准则等方法提取了不同壁面湍流边界层发卡涡和低速条带等典型相干结构的空间拓扑形态,结果表明:两种沟槽壁面的相干结构在流向和法向上的空间尺度均有不同程度的减小,且相干结构与主流之间的倾角趋于更小,流体在法向上的运动及结构的抬升受到明显抑制,发卡涡诱导喷射和扫掠的能力降低,从而影响了湍流中能量与动量的输运过程及湍流的自维持机制,且相比于2D沟槽, 3D正弦波沟槽作用效果更为明显.在同一雷诺数下,随着距离壁面法向位置的增加,不同壁面湍流边界层低速条带的展向间距都变宽;但同一法向位置处2D/3D沟槽壁面湍流边界层低速条带的间距与光滑壁面的相比更宽,沟槽的存在有效抑制了低速条带在展向上的运动,使得低速条带更稳定.     

高温气冷堆堆芯球床流动与温度分布均匀性研究

由于燃料球的随机分布和球床的壁面效应,球床式高温气冷堆堆芯孔隙率分布会有一定的不均匀性。深入认识壁面漏流、随机孔隙率对球床温度分布均匀性的影响对进一步提高高温气冷堆冷却剂出口温度及其安全性具有重要意义。本文采用多孔介质模型实现了对堆芯球床壁面漏流、随机孔隙率效应的数值模拟。结果表明,由于壁面漏流效应,壁面附近局部区域冷却剂最大速度会比中心高50%,对球床温度影响则不大。中心区域局部极小、极大孔隙率只对很小区域内流速和温度有影响,但温度变化幅值很小。球床中心随机孔隙率使冷却剂速度波动小于13%,对球床温度影响很小。     

Effect of Microbubble Gas Saturation on Near-Wall Turbulence and Drag Reduction

The article presents results of an experimental study of the effect of gravitational orientation of the flow along its lower/upper solid boundaries on reduction of turbulent drag and void fraction profiles with injection of gas through a porous channel wall. The shear stress on the wall was measured in the Reynolds number range Re_x = (0.23–1.1) × 10⁷ by floating element transducers; the void fraction profile was determined using a fiber-optic sensor. The void fraction in the inner (near-wall) region of the boundary layer was shown to be a key parameter for turbulent drag reduction. The size of the inner region depends on the gas flow rate, the fluid velocity, the distance downstream of the gas generator, and the gravitational orientation of the wall.     

纳米通道内气体剪切流动的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法研究了表面力场对纳米通道内气体剪切流动的影响规律.结果显示通道内的气体流动分为两个区域:受壁面力场影响的近壁区域和不受壁面力场影响的主流区域.近壁区域内,气体流动特性和气体动力学理论预测差别很大,密度和速度急剧增大并出现峰值,正应力变化剧烈且各向异性,剪切应力在距壁面一个分子直径处出现突变.主流区域的气体流动特性与气体动力学理论预测相符合,该区域内的密度、正应力与剪切应力均为恒定值,速度分布亦符合应力-应变的线性响应关系.不同通道高度及密度下,近壁区域的归一化密度、速度及应力分布一致,表明近壁区域的气体流动特性仅由壁面力场所决定.随着壁面对气体分子势能作用的增强,气体分子在近壁区域的密度和速度随之增大,直至形成吸附层,导致速度滑移消失.通过剪切应力与切向动量适应系数(TMAC)的关系,得到不同壁面势能作用下的TMAC值,结果表明壁面对气体分子的势能作用越强,气体分子越容易在壁面发生漫反射.     

前缘逆主流喷射冷气时涡轮叶栅流场性能研究

前缘逆主流喷射冷气对壁面静压有明显影响;冷气与主流掺混及卵型涡的形成导致近叶片表面处能量损失增加;吸力面或压力面根部出现与通道涡旋向相同或相反的涡系;卵型涡能够以一定形式保持到叶栅出口并与尾迹作用,使出口处气动参数剧烈变化．     

耦合传热和冷却流通道流动对气膜冷却的影响

本文通过数值模拟的方法同时考虑了耦合传热和冷却流通道流动对气膜冷却的影响.计算结果表明,在考虑耦合传热的情况下,冷却流通道流动的影响仍然存在,但随着壁面导热系数的增大,这种影响减弱;同时在考虑耦合传热的情况下,受保护壁面温度场分布更加均匀,冷却效果更好.计算结果还表明吹风比为0.5时的冷却效果优于吹风比为1.0的情况.     

前缘弯掠斜流转子叶顶间隙流动特性数值分析

本文对前缘弯掠斜流转子叶顶间隙内的流动特性进行了数值分析。结果表明:叶顶间隙气流与主流发生卷吸而生成泄漏涡。泄漏涡作用的区域具有较低的压力分布。在叶片通道内,泄漏涡沿着与转子旋向相反的方向朝相邻叶片的压力面移动。大间隙时的泄漏涡比小间隙时强烈。低流量时泄漏涡的作用区域比高流量时大。在各种流量特性下,叶顶尾缘近吸力面区域都存在着二次间隙流。     

倾斜上升管内气液两相弹状流壁面传质特性研究

采用VOF模型对倾角为45°、80°、85°三种情况下倾斜上升管内弹状流的壁面传质特性进行了研究.传质特性通过其与壁面切应力的类比关系来体现.数值模拟结果表明,低混合物流速时,上管壁面切应力在液膜区有明显波动,而下管壁面切应力分布则比较光滑.随着混合流速的增大,液膜区上下壁面切应力分布趋于一致.管子下壁面切应力平均值大于管子上壁面,在Taylor气泡运动速度较低时较为突出.随着Taylor气泡速度的增大,管子上下壁面的切应力平均值趋于相同.相同的混合流速下倾斜角度越大,上下管壁的切应力分布越趋于近似.下降液膜区的壁面切应力平均值大于Taylor气泡尾迹区域.根据Chilton-Colburn的类比关系,壁面切应力的规律完全适用于壁面传质系数.     

跨音速轴流压气机叶顶间隙泄漏流对微喷气的非定常响应机制和扩稳效果研究

本文将叶顶微喷气方法应用于 NASA Rotor37 跨音速轴流压气机转子,在近失速工况,利用数值模拟方法研究了不同喷气量时叶顶间隙泄漏流对微喷气的非定常响应机理和叶顶微喷气的扩稳效果.结果表明,喷气使得叶顶区域的叶表压力随喷嘴与叶片相对位置的变化沿弦向发生波动,抑制了叶顶泄漏流的自激非定常波动,使叶顶泄漏流轨迹沿叶片吸力面向下游移动,实现了提高压气机性能和稳定性的目的.采用喷射气流的无量纲总动量可关联亚音速和跨音速轴流压气机不同喷气方案的扩稳效果,该无量纲总动量与来流总动量和喷射气流高度成反比,而与叶高和喷射气流总动量成正比.