基于Level Set方法的双层流体热毛细对流的数值研究

基于Level Set方法建立了双层流体热毛细对流的数学模型,通过变密度二阶投影法求解控制方程,C-N隐式技术用于扩散项更新,三阶龙格库塔技术用于对流项的更新,采用连续表面张力模型(CSF)模拟Marangoni效应。三维数值模拟了微重力环境下双层流体系统中交界面变形的热毛细对流,结果显示,在Marangoni效应的作用下,交界面在热端凸起,在冷端凹陷;随着Marangoni数增大,双层流体交界面的变形率随之增大,对流强度也随之增大;交界面与壁面的接触条件会影响热毛细对流的流场和温度场。     

毛细力比对环形液池内耦合热-溶质对流的影响

为了了解毛细力比R_σ对耦合热溶质毛细对流的影响,对深宽比为0.15的环形浅液池内双组分溶液耦合热-溶质毛细对流进行了三维数值模拟。液池内、外壁分别维持恒定温度和浓度,工质为甲苯/正己烷混合溶液,Prandtl数为5.54,Lewis数为25.8。结果表明,当热毛细Reynolds(ReT)数较小时,耦合热-溶质毛细对流为三维稳态流动,当ReT数超过临界值后,流动将转变为三维周期性振荡流动;在计算范围内(-1≤R_σ≤0),随着毛细力比的增加,流动失稳的临界Re_T数会逐渐减小。     

数值分析环形池硅熔体旋转-热毛细对流及其稳定性

数值模拟了内半径20 mm、外半径40 mm、深5 mm环形池内硅熔体在旋转和热毛细力共同驱动下的热对流,通过线性稳定性分析确定了旋转-热毛细对流失稳的临界Marangoni数等临界条件。研究结果表明,液池低速旋转会降低轴对称热毛细对流的稳定性,而较高速度的旋转能增强热毛细对流的稳定性。临界条件下旋转-热毛细对流耗散结构波纹的传播方向与液池的旋转方向相同,临界周向波数随旋转速度的增加而增加。在较大的旋转速度下,液池底部出现涡胞,底部涡胞对热毛细对流的稳定性具有削弱作用。     

加热基板上硅油液滴蒸发诱发的Marangoni对流失稳现象实验研究

实验观察了加热基板上0.65cSt硅油液滴蒸发过程Marangoni对流失稳现象及其演变规律,测量了Marangoni对流失稳的临界条件,分析了润湿半径和Ma数对液滴内Marangoni对流稳定性的影响。结果发现:只有当液滴的接触角减小到某一临界值以下时,液滴内才产生Bénard-Marangoni对流涡胞,涡胞呈"花瓣"状,液滴顶点处较尖细,三相接触线附近为圆弧形,涡胞相互挤压处呈直线形。随着蒸发的进行,涡胞变短变粗。涡胞数随润湿半径、Ma数的增大而增多。产生Bénard-Marangoni对流涡胞的临界接触角θ_c随Ma数的增大而增大。液滴边缘处始终为热毛细对流,无Bénard-Marangoni对流涡胞。     

表面散热对双组分溶液热-溶质毛细对流的影响

为了了解表面散热对耦合热-溶质毛细对流的影响,对环形浅液池内考虑Soret效应的双组分溶液耦合热-溶质毛细对流进行了三维数值模拟。环形液池深宽比和半径比分别为0.1和0.5,工质为质量分数等于26.27%的甲苯/正己烷混合溶液。结果表明,当流动为二维稳态时,在Soret效应作用下,溶质会向内侧壁转移,浓度梯度和温度梯度方向相反。随着Biot数增加,流动失稳的临界热毛细雷诺数和临界振荡频率均减小,但波数增加。流动失稳后,在自由表面会出现与温度波动类似的浓度波动;随着热毛细雷诺数增加,不论自由表面是否绝热,流动均会过渡到混沌状态。     

凹陷涡发生器非稳态流动与传热分离涡模拟

本文对具有凹陷涡发生器的冷却通道内非稳态湍流流动与传热特性进行了分离涡模拟研究。通道内流动雷诺数为50500,凹陷涡发生器深度与直径比为0.2。分离涡模拟结果与实验数据进行了对比验证,并对凹陷表面非稳态流动与传热特性进行了详细分析。研究结果表明:分离涡模拟得到的凹陷表面时均局部Nμ数分布与瞬态液晶热像实验得到的Nμ数分布相似,并且总体平均Nμ数和摩擦因子与实验数据也较好地吻合;分离涡模拟获得了详细的凹陷涡发生器表面非稳态流动和传热特征,凹陷表面前缘处的低换热区形成左右两个旋涡,经历了形成、旋转、回流、破碎四个过程,这些非稳态的涡流动显著地强化了凹陷表面的对流传热性能。     

液封液桥内振荡热毛细对流的三维数值模拟

为了了解微重力下液封液桥内热毛细对流的基本特性,利用有限差分法进行了非稳态三维数值模拟,液桥高为(1-3)mm,直径为2mm和3 mm,液封外直径为(4-7)mm。模拟结果表明,当Marangoni数较小时,液封液桥内的热毛细对流为稳定的轴对称运动,当Marangoni数超过某一临界值后,流动将转化为三维振荡流动;为此,确定了发生振荡的临界Marangoni数,分析了各种条件下热毛细对流的振荡特性,计算了相应的振荡频率。     

用Lattice Boltzmann方法模拟1/4圆腔内的定常层流运动

分析格子Boltzmann方法中二阶精度的曲线边界处理方法.应用格子Boltzmann方法及其边界处理方法模拟1/4圆腔内的定常层流运动,引入流线图和等涡线图分析流场随Re数的变化.并且发现当Re数在10~100区间内变化时,随着Re数的增大,顺时针旋转流场的涡心位置偏离x轴的角度逐渐减小,而逆时针旋转流场的涡心位置偏离x轴的角度却越来越大.     

旋转环形浅液池内双组分溶液耦合热-溶质毛细对流渐近解

为了了解水平温度梯度作用下旋转环形浅液池内耦合热-溶质毛细对流基本特征, 采用匹配渐近展开法对旋转环形浅液池内耦合热-溶质毛细对流过程进行了求解, 获得了中心区域的速度、温度和浓度分布,分析了旋转、Soret效应、浮力、溶质扩散 系数和液池的几何尺寸对流动结构的影响.将所得到的渐近解和文献中的已有结果进行对比,证明了所求结果的正确性;在浅液池内,耦合热-溶质毛细力对流体流动起主导作用, 旋转和浮力对流动的影响较小,溶质扩散系数和几何尺寸有较明显影响;当各种耦合的 驱动力作用方向相同时,流动增强;否则, 流动减弱. 关键词： 旋转 环形浅液池 耦合热-溶质毛细对流 渐近解     

正交梯度下双扩散对流的数值模拟

本文采用有限单元法求解涡量、流函数、能量和组分控制方程,数值模拟了在温度梯度和浓度梯度正交情况下竖直环形容器内的双扩散对流结构。通过改变浮升力比N=GrS／GrT和Le数的大小,分析了溶质浮升力方向及其大小和Le数对容器内双扩散对流的影响。结果表明:当溶质浮升力改变时,壁面处的流体流动状况、边界层厚度、Nu数和Sh数都发生了变化;随着Le数的增大,竖直壁面处Nu数逐渐降低而水平壁面处的Sh数逐渐增大。     

旋转环形液池内双组分溶液热毛细对流研究

通过毛细对流可视化实验系统和三维数值模拟研究了旋转环形液池内受Soret效应影响的双组分溶液热毛细对流,探究了泰勒数和液池深宽比对双组分溶液热毛细对流的稳定性及失稳后产生的振荡流型的影响。结果表明,旋转液池内受Soret效应影响的热毛细对流的基础流为逆时针流胞形成的轴对称稳态流动,液池旋转对基础流径向流动的影响较小,但会明显增大流体的相对周向流动。临界热毛细雷诺数随泰勒数的增大而增大,随深宽比的增大而减小。泰勒数和深宽比的变化会明显改变双组分溶液热毛细对流失稳后产生的振荡流型。随着泰勒数的增大,液池中会出现HTWs和内部波动共存的振荡流型,内部振荡由包含在基态流动中的旋转流胞产生。     

蒸发相变与界面流动耦合机理研究

本文提出了一种新模型来研究液层在其纯蒸气中的蒸发热动力学特征,尤其是当蒸发界面张力驱动流占主导作用时(如微重力环境中)液层热毛细对流和界面蒸发始终耦合在一起。气-液界面的传热传质规律有待深入研究。本文数值模拟研究了蒸发相变界面热毛细对流与蒸发效应的耦合机质,得到了不同蒸发模式和不同强度热毛细对流蒸发液层的温度分布、蒸发速率以及对流流场分布的数值解。论述了蒸发Biot数和Marangoni数对界面传热传质的影响,发现并解释了蒸发和热毛细耦合的三种模式。     

大尺度环形液池内双层热毛细对流不稳定性

假设双层流体的交界面不发生变形,热毛细力作用于此交界面,三维数值研究了大尺度环形液池中双层流体系统在内外壁面温差加热下的热毛细对流不稳定性,其中外壁面维持高温,内壁面维持低温。计算结果显示,上下层流体的流动特性受Marangoni效应和浮力效应的影响;热毛细对流的振荡产生于内壁面附近,并沿着温度梯度的方向传播;随着温差的增大,热毛细对流的振荡逐渐增强,温度振荡波数增大。     

零重力点热源马兰戈尼FTM数值模拟

采用界面跟踪法FTM(Front-Tracking Method), 研究点热源流场中由Marangoni效应引起的液滴运动。模拟不同的Marangoni(Ma)数下液滴的运动。研究发现液滴运动速度先迅速增大到稳定迁移速度, 而后下降, 在t=1.2时出现反转, 速度随Ma数的增加而增加。液滴内部存在与Hill球涡相同的回流。随着Ma数的增大, Hill球涡进行分裂, 且涡旋中心有轻微的移动。同时温度场末端拓扑结构出现两次分叉。第一次分叉出现在下临界Ma数, 最低温度点由滞止点跳进液滴内部; 第二次分叉出现在上临界Ma数, 内部的壳型冷却区从中心点破裂, 出现一个环面型冷却区。     

基于转捩SST模型凸起圆柱绕流数值研究

为了研究局部凸起对边界层转捩的影响,采用转捩SST模型分别对亚临界、临界和超临界状态下带突起的圆柱绕流问题进行了数值模拟,分析了不同Reynolds数下带突起的圆柱绕流问题的近壁面流动特征以及表面时均压力与摩擦力系数的分布和凸起对圆柱表面流动分离以及转捩的影响,对比了有无凸起两侧圆柱表面时均压力、摩擦力系数的不同. 结果表明:当来流Reynolds数处于临界区时,气流在圆柱上表面凸起处形成了3个反向旋转的漩涡,之后随着θ的增大,发生了流动分离和流动转捩现象;对于不同Reynolds数下的来流,圆柱上表面的凸起可以使气流发生转捩的位置提前;圆柱上表面的凸起使流速增大、压强降低,从而导致圆柱产生升力,随着来流Reynolds数的增大,其升力逐渐变大.      

槽内热磁耦合流动换热数值模拟

数值模拟研究了矩形槽内导电流体由于焦耳热作用和电磁力共同作用引起的流动换热现象.数值结果表明,在给定流体性质情况下,焦耳热作用引起对流为两涡,电磁力作用时获得四涡流动,随Ha数的增加,电磁力驱动对流作用增大,热、磁共同作用时,流场温度场与Ha2Pr/Ra大小有关,从而影响到对流换热的强弱,在临界Ha2Pr/Ra以下,焦耳热引起的对流为主,Ha数增加,减弱换热;在临界日Ha2Pr/Ra以上,电磁力驱动的对流为主,Ha数增加,换热强化.     

分离结晶过程中熔体热毛细对流的转变

为了了解微重力条件下新型分离结晶生长过程中熔体热毛细对流的基本特征,利用有限差分法进行了数值模拟,熔体深径比A取1和2,自由界面无因次宽度B分别取0.05、0.075和0.1.当熔体上表面为自由表面时,得到了分离结晶Bridgman生长过程中熔体热毛细对流的流函数和温度分布.计算结果表明:当Ma数较小时,在上下两个自由表面的表面张力的驱动下,熔体内部产生了两个流动方向相反的流胞,流动为稳态流动,随着Ma数的增加,上下自由表面速度增大,温度分布的非线性增加;当Ma数超过某一临界值后,流动将转化为非稳态流动;与熔体上表面为固壁时相比,A=1时的临界Ma数减小,而A=2时的临界Ma数增大;流动失稳的物理机制是流速的变化和阻力的变化之间存在滞后.     

水平磁场对双层流体热毛细对流的影响

三维数值研究了零重力时水平温度梯度作用下,B2O3封闭液与InP熔液组成的双层流体系统在水平磁场作用下的热毛细对流.结果显示,当磁场强度较小时,上层流体中对流涡的结构变化其微,而下层流体中的逆对流涡得到了抑制;随着磁场的增强,温度场分布逐渐趋于均匀,涡量强度逐渐减小,表明热毛细对流强度逐步地得到削弱.当磁场增强列Bx=0.4 T时,上层流体中的对流涡较均匀地充满上层流体区,而下层流体中对流涡紧贴着交界面.     

垂直Bridgman多组元化合物晶体生长热质对流

在垂直Bridgman晶体生长装置中,熔体的热质对流是由于温度梯度和浓度梯度间的相互作用引起的,而温度梯度和浓度梯度由晶体热物性和生长炉结构所决定.由于温度梯度和浓度梯度的耦合作用,坩埚中熔体的流动结构形式多样,由流动引起的溶质分布也呈多种形式.本文以GeSi多组元化合物半导体晶体为对象,数值研究了垂直Bridgman晶体生长过程中的热质对流现象,分析了热Rayleigh数、GeSi晶体热物性,生长炉结构对热质对流和径向溶质分凝的影响规律.结果表明:在垂直Bridgman装置中,熔体的热质对流是由于生长炉热边界条件的不连续性和晶体熔-固两相热物性不匹配引起的;随着熔体流动强度的增加,径向溶质分凝出现两个极小点,所以单纯地抑制或加强熔体对流强度并不一定能改善径向溶质分凝现象.     

激光作用的超声控制

激光器是由光放大器和正反馈环组成的.开环时放大器的增益为G=exp[σ(N_2-N_1)D],式中σ为受激发射过程的跃迁截面,N_2-N_1为上下能级占有数之差,D为放大介质的长度.反馈通常是靠反射率为R_1与R_2的两个反射镜,它们构成Fabry-Perot谐振腔;当二镜平行时,反馈环的传输函数β=R_1R_2.在反馈光路中引入超声场,可以改变β,从而控制激光器的工作.光束宽度W与超声波长λ~*之比决定