气凝胶纳米多孔隔热材料传热计算模型的研究

本文研究并建立了气凝胶复合隔热材料传热计算模型.针对气凝胶纳米多孔材料的分形结构特征,结合规则交叉球杆结构,提出了气凝胶纳米多孔材料的分形交叉球杆结构模型,并以此结构模型为基础,建立了气凝胶纳米多孔材料热导率分形计算模型,模型中同时考虑了尺寸效应对气相、固相传热方式的影响.对气凝胶中添加的遮光剂、增强纤维等微米典型结构,以Mie辐射散射理论为基础,结合Rossland扩散近似模型,考虑了辐射传热对热量传递的增强作用;同时结合经典的两相系统等效热导率计算公式,获得复合材料的辐射导热耦合热导率计算模型.本文从纳米尺度的气凝胶多孔材料传热模型到微米尺度的气凝胶复合隔热材料传热模型,建立了完整的气凝胶纳米多孔复合隔热材料等效热导率计算模型.模型与多个文献中气凝胶材料热导率实验数值进行比较,获得了满意的结果,验证了模型应用于气凝胶复合隔热材料等效热导率预测计算方面的有效性.     

碳遮光石英气凝胶传热机制与热性能数值模拟

建立了碳遮光石英气凝胶传热机制及热性能数值模拟方法,在交叉立方阵列导热模型、热辐射传输谱带模型、辐射导热耦合传热模型基础上,采用蒙特卡罗方法与有限体积法数值模拟了气凝胶内的热辐射传输及辐射导热耦合传热,并以表观导热系数描述气凝胶传热性能.以某石英气凝胶为例,定量模拟了热性能、各种传热方式的作用及温度依赖性,分析了应用Rosseland扩散近似引起的误差.     

基于格子Boltzmann方法的纤维增强气凝胶复合材料等效热导率求解

对于纤维增强SiO2气凝胶复合隔热材料的等效热导率,以往主要通过提出简化结构之后利用等效电路方法进行理论求解。本文提出一种纤维结构的计算机随机生成方法,生成了不同的纤维气凝胶复合材料等效结构单元;采用三维格子Boltzmann模型求解该等效结构的温度场,并计算了复合材料常温下的等效热导率。本文数值预测结果与理论计算结果及相关实验结果吻合良好,表明本文模型能够有效地预测纤维-气凝胶复合材料的等效热导率。     

间断伽辽金方法在燃机空气系统中的应用

间断伽辽金方法(DGM)对守恒变量及梯度变量具有一致的任意高阶计算精度,因此该方法也具有较高的热流计算精度。本文搭建了二次空气系统单元机理实验台,并采用DGM对中心进气转静系开展了数值计算,取得了误差小于10%的对流换热系数计算结果。此外本文结合SST-γ-Re_θ转捩模型,应用有限体积方法(FVM)及DGM,对燃气轮机旋转盘腔内流动与传热进行了预测,并取得了与实验结果吻合较好的传热预测结果。此两转转系及转静系典型问题验证了DGM对燃气轮机二次空气冷却流动传热预测具有一定优势,展现了DGM在燃气轮机二次空气系统中广阔的应用前景。     

涡轮动叶冷却结构设计方法Ⅲ:气热耦合计算

三维气热耦合数值模拟是涡轮叶片冷却结构详细设计中应用的热分析方法。三维气热耦合数值模拟的计算域实体模型建立借助于参数化方法,模型包括冷却结构尽可能多的细节、并保证足够高的模型精度。网格生成时,流体域采用结构化网格,并且需要在换热壁面上根据湍流模型的要求进行加密。将管网计算结果与三维数值模拟结果进行对比,发现管网计算的精度有限,而气热耦合计算方法能够捕捉更多流动换热现象,计算结果相对可信。对单个冷却结构方案进行三维数值计算的周期为5～15天,基本满足工程设计要求。     

异型辐射元件综合强化辐射对流换热的研究

本文研究了高温空气预热器内综合强化辐射对流换热问题,针对其传热机理,提出以异型辐射板作为强化传热元件,借以同时强化烟气侧的辐射和对流换热,在所建立的辐射对流耦合传热模型基础上进行的数值计算和试验结果有力地支持了作者所提出的方案,具有较大的推广应用价值。     

高温透平气热耦合通流设计与分析

透平冷却技术的广泛应用带来了冷却透平中主流流动和传热过程的复杂耦合问题。传统透平设计过程中,通常将气动设计与冷却设计分开进行,因而难以充分考虑二者之间的相互影响。本文在某高温轴流透平的初步设计中采用了一种气热耦合的通流设计方法,该方法在传统通流计算的基础上引入了冷却计算模型,并以通流计算得到的主流流场参数作为传热计算的边界条件,由此求得透平所需冷气量及主流流场参数。本文采用ANSYS CFX对设计透平进行了性能分析,结果表明该气热耦合通流设计方法可以在透平初步设计阶段提供较大的借鉴意义。     

基于流网分析的通流计算冷却模型

伴随着复合冷却技术的广泛应用,冷却透平中主流流动和传热过程的复杂耦合现象日趋显著,有必要在初步气动设计阶段充分考虑冷却对主流气动布局的影响。本文基于流网分析提出了适用于气热耦合通流方法的冷却模型,该模型可针对透平叶片进行快速流热分析,并结合主流气动参数计算结果预测掺混冷气流量分布及掺混损失分布。本文采用该冷却模型对C3X叶型进行了气热耦合通流分析,叶片表面温度分布计算值与实验结果符合良好,说明该冷却模型可应用于气热耦合通流方法,为透平初步气动设计及冷却设计提供一定的借鉴意义。     

二氧化硅气凝胶辐射特性反演方法研究

建立了基于光谱半球反射率和光谱半球透过率的二氧化硅气凝胶样品辐射特性参数的反演方法。采用离散坐标法、四通量法、二通量法计算了二氧化硅气凝胶样品内辐射传输问题,反演了样品的光谱辐射特性参数。结果表明,离散坐标法和四通量法反演结果几乎一致,二通量法反演结果小于离散坐标法和四通量法反演结果,而且误差较大,对于高孔隙率的二氧化硅气凝胶,界面反射对反演结果的影响很小,可以忽略。本文的研究工作对二氧化硅气凝胶辐射换热特性具有理论指导意义。     

基于气液耦合的中等尺度甲醇池火数值模拟

本文提出了一种模拟池火的气液双向耦合的三维数值模型。该模型通过直接求解油池内部对流流动和气液共轭耦合传热确定池火的蒸发速率。气相区域利用大涡模拟方法求解经滤波过滤的三维可压缩N-S方程组,液相区域使用三维不可压缩层流控制方程求解流动,两相交界面处通过基于“薄膜理论”的蒸发模型及共轭传热方法求解传质传热过程。通过甲醇池火实验验证模型的准确性。计算结果表明该模型能准确计算燃油蒸发速率,由马兰戈尼效应诱导的液相内部对流运动对池火蒸发速率有一定影响。     

涡轮端区密封结构泄漏流动气热耦合研究

本文采用气动传热耦合计算方法研究了轮毂封严冷气和叶冠泄漏流动对涡轮性能以及热负荷的影响。研究结果表明端区泄漏流动会引起流动损失并导致涡轮做功能力下降,不同股泄漏流动对涡轮效率的影响可以近似满足线性叠加规律。固体部件热传导对叶片气动负荷几乎没有影响,而由轮毂封严冷气造成的温度梯度会显著改变壁面换热特性,此时必须采用气热耦合计算才能准确预测热负荷。     

涡轮叶栅气热耦合数值方法与验证

应用三阶精度TVD格式和自由型曲面阿格技术,对涡轮内冷叶片进行气热耦合数值模拟.结合商用软件采用多种湍流模型计算方法的结果进行实验验证和对比分析,结果表明,商用软件采用传统湍流模型对温度边界层的模拟是不合理的,采用考虑转捩的湍流模型,调整转捩起始雷诺数,可以较好地模拟温度边界层的热传导.本文对非转捩区边界层温度的计算结果与实验结果吻合较好.     

聚N—羟甲基丙烯酸胺—间苯二酚气凝胶与其对应液体凝胶的SAXS研究

本文报道ＳＡＸＳ对聚Ｎ－羟甲基丙烯酰胺－间苯二酚气凝胶与相应液体液胶的结构研究。结果表明有机气凝胶的胶粒子具有比较清晰的界面，散射结果与Ｐｏｒｏｄ模型能很好地相符，应用不角散射法所测的比表面积与ＢＥＴ法所测的结果相当一致，气凝胶和液体凝胶在结构上存在一定差别，这种差别反映了网络结构中高分子链段存在一定自由度。     

不同湍流模型对燃气透平静叶及动叶叶顶传热预测精度的研究

本文研究了不同湍流模型对燃气透平静叶、动叶叶顶和机匣传热的预测特性,分析了SSTγ-θ模型在不同湍流强度、湍流尺度和雷诺数下对C3X静叶传热系数的计算精度。结果表明:SSTγ-θ模型对静叶传热系数的预测精度明显优于其它两方程湍流模型;SSTγ-θ模型的计算结果在本文所研究的湍流强度和雷诺数范围内与试验结果能够很好吻合;不同湍流模型计算的叶顶和机匣传热系数分布规律与试验结果相似,SSTγ-θ模型的预测结果在叶顶及机匣的大部分区域与试验结果最为吻合。     

基于POD模态分解的液环泵瞬态气液两相流分析

针对液环泵内气液两相流动的复杂时空规律,采用本征正交分解(POD)方法对其瞬态气液两相流场进行特征分解,分析其相态场、速度场的空间基模态特征及模态系数的时域特征,建立非定常流场降阶模型,并对流场进行预测分析。结果表明POD方法可实现对液环泵内复杂流场的时空解耦分析,相态场及速度场的各阶模态系数在时域内的变化能够反映各阶模态场的能量、频率及相位变化规律,模态场能够反映脉动流场的空间尺度变化规律。POD降阶模型能够对样本空间内的流场进行精确预测,进口压力、相态场及速度场预测结果的最大相对误差分别约为0.2%、4%、8%,在样本空间外POD降阶模型具有一定外延预测精度,当预测目标逐渐远离样本空间时POD预测结果与CFD计算结果之间的误差逐渐增大。     

气凝胶中气相贡献热导率的数值求解

本文首先对纳米尺度受限空间中分子自由程进行了修正,进而提出了受限空间中气体的"净热导率"模型,并使用DSMC结果验证了该模型。采用扩散集团凝聚(DLCA)方法构造了气凝胶三维物理模型。结合提出的气相"净热导率"模型,采用LBM方法对气凝胶中气相贡献热导率进行了数值求解。结果表明:数值预测结果与实验值吻合较好。     

螺旋管内气液两相流摩擦压降计算方法新探

通过理论分析与数学推导,提出一种新的适用于管内气液两相流摩擦压降计算的模型。根据该计算模型,对螺旋管内水-水蒸气沸腾两相流摩擦压降实验数据进行关联,发现基于一种螺旋管实验数据所建立的摩擦压降关联式,在螺旋几何参数修正的条件下,能准确地预测相近工况范围内另一种螺旋管内的两相流摩擦压降;与不同学者的实验数据和关联式进行比较,本文关联式呈现出较好的综合预测性能。本文的模型在一定程度上揭示了不同螺旋管内两相流摩擦压降实验结果之间的内在联系,从而拓宽了关联式的适用范围,可以进一步推广应用。     

载气蒸发气-液两相流传热特征与过程模拟

本文首先说明了载气蒸发气-液两相流传热特征,并以载气与沸腾液体相接触时液体向载气泡内快速汽化所产生的“界面汽化热阱”说明了其对传热的强化作用;进而建立载气蒸发过程流体流动与传热的数学模型,并进行了模拟计算。     

涡轮叶栅气热耦合数值模拟

本文建立了透平机械叶栅流场与叶片温度场的气热耦合计算模型,编制了三维非正交曲线坐标系下的温度场求解程序,计算了实心及空心叶片的温度场分布。介绍了区域分解方法在耦合计算及并行计算中的应用,以矩形区域温度场求解程序为例研究了程序的并行化,最后进仃了叶栅流场计算与叶片导热计算程序的分区耦合计算。     

活塞内冷油腔振荡流动与传热的瞬态分析方法

为了分析活塞内冷油腔中机油流动与传热特性,基于相对位移法,提出了一种把内冷油腔看作刚体,采用边界条件随曲轴转角变化的内冷油腔振荡流动与传热的仿真方法。采用该方法建立了内冷油腔振荡流动与传热的计算流体力学模型,计算分析了不同转速下机油流动与传热过程,并与采用其他仿真方法的计算结果进行了对比分析。研究结果表明,在相同发动机转速下,内冷油腔各壁而的瞬时面积平均换热系数有较大的差异,其出现峰谷值的数值与峰谷值对应的曲轴角度都有所差异。在不同的转速下,各壁面的瞬时换热系数呈现出相似的规律,随着发动机转速的增加,瞬时换热系数增加。通过计算分析对比表明,采用本方法减少了计算工作量且具有较高的计算精度。