多孔介质中的双稳热对流

对矩形横截面多孔介质中热对流的复杂分岔行为──二次分岔进行研究．使用Ｌｉａｐｕｎｏｖ－Ｓｃｈｍｉｄｔ约化并充分利用问题本身的对称性，研究了于最低的两个不同临界Ｒａｙｌｅｉｇｈ数处从平凡的静态传热解产生的热对流主分岔解之间的相互作用；揭示了主分岔解的二次分岔并给出了主分岔解及二次分岔解的渐近展开．稳定性分析表明从第二临界Ｒａｙｌｅｉｇｈ数产生的主分岔解经二次分岔后由不稳定变得稳定，从而与由最小临界Ｒａｙｌｅｉｇｈ数产生的主分岔解组成双稳定热对流．文中理论分析可较恰当地解释已有的数值模拟结果．     

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.      

磁场环境对导电薄板磁弹性振动的影响

给出了磁各导电薄板磁弹性振动的非线性耦合基本方程式,并推得了四边固支矩形薄板振动的特征方程,算例表明,适当给定磁场的强度,可控制该磁场环境中薄板的磁弹性振动特性。     

磁性流体密封磁场的解耦计算

分析了磁性流体密封中的磁场与力场的耦合问题,采用边界逼近的迭代方法准确计算了磁场分布,进而求出了密封压差,分析了解耦计算与线性计算的差别.结果表明,随着磁性流体磁化强度的提高,解耦计算与线性计算的差别增大.     

两相湍流热对流中传热增强的实验研究

Rayleigh-Bénard (RB)湍流热对流是一个经典的流体力学模型,传统的RB热对流系统采用单一流体作为工作介质．然而在实际工业生产和大自然中,对流的工作介质往往是多成分多相(譬如气相与液相共存)．本文进行了气液两相热对流系统的实验,研究了相变引起的全局体积变化以及热对流系统的传热规律．实验采用径高比Γ≡D/H=0.5的圆柱形对流槽,工作介质为去离子水与氟化液(HFE7000),其中氟化液在装置中的体积分数占比为Φ=0.86%．实验中,上下板的温差保持为30℃,控制参数范围是2.54×10⁹9,底板温度35℃b<48℃．我们发现,氟化液HFE7000在大气压下的沸点为Tcr<40℃,然而氟化液的体积在底板温度T_b<42.5℃之后就不再发生变化．全局传热分为3个区间,在区间Ⅰ内,即T_b<42.5℃,系统的传热效率Nu变化较小．在区间Ⅱ内,42.5℃b<45℃,当氟化...     

含水层热量输运中自然热对流和水-岩热交换作用的研究

本文对含水层热量输运过程中存在的自然热对流和水-岩热交换作用进行了深入研究, 目的是为了弄清两种作用对热量输运的影响。首先针对普通水流方程和热量输运方程的局限性, 给出了能够描述这两种作用的新的数学方程, 并通过建立一个非线性三维含水层热量输运模型加以实现。然后利用上海第二承压含水层的群井储能试验资料, 根据不同的条件进行计算。计算结果与实测数据的对比分析表明, 自然热对流通常对含水层的热量输运有明显作用, 定量研究时不应忽略；水-岩热交换作用持续时间短, 对整个热量输运过程影响较小。     

热对流作用下筒壁涂层的边裂行为

边裂(边缘开裂)是涂层热致损伤的主要模式之一. 边缘裂纹穿透涂层后,常导致界面脱粘从而驱使涂层与基体剥离,最终丧失对基体的保护作用. 本文以热应力强度因子表征边缘裂纹的扩展驱动力,研究筒壁涂层在热对流作用下的边裂行为. 首先,利用拉普拉斯变换法,得到了瞬态温度场及热应力场的封闭解. 其次,运用Fett等的三参数法确定了筒壁涂层边缘裂纹的权函数. 最后,基于叠加原理和权函数方法计算了边缘裂纹的热应力强度因子. 探讨了无量纲时间、边缘裂纹深度、基体/涂层厚度比、热对流强度等参数对热应力强度因子的影响规律. 结果表明:热应力强度因子的峰值既非发生在热载荷初始时刻,也非发生在热稳态时刻,而出现在时间历程的中间时刻;增大热对流强度不仅可提高热应力强度因子的峰值,而且使峰值提前出现;其他条件相同时,热应力强度因子随着边缘裂纹长度的增大而降低;增大涂层厚度或减小基体厚度可增强涂层抵抗瞬态热载荷的能力.      

流体可压缩性对Rayleigh-Taylor不稳定性影响机理分析

在等熵方程为压力是密度的任意单值函数形式情况下 ,分析了R T(Rayleigh Taylor)不稳定性中流体可压缩性的作用。在没有边界效应的条件下所作的分析表明 :在重力场作用下流体可压缩性形成的密度分布是R T不稳定性中的致稳因素 ,而扰动流体的膨胀 (收缩 )效应助长R T不稳定性的发展 ;上层重流体的可压缩性是稳定因素 ,而下层轻流体的可压缩性是失稳因素。从扰动发展驱动力和扰动带动的等效质量两个方面对该结论的物理机制进行了分析。     

直流稳恒磁场下高速钢/45~#钢环干滑动摩擦磨损特性研究

采用改进后的MPV-1500型摩擦磨损试验机,研究了常温下直流磁场对高速钢销/45#钢环摩擦副干滑动摩擦磨损特性的影响.结果表明:适当控制磁场强度可以降低磨损;磁场促进氧化,随着磁场强度增加,摩擦面生成的Fe2O3含量增加,磁场强度较大时,将有部分Fe3O4生成;载荷250 N,线滑动速度0.2 m/s下,随着磁场强度的增加,高速钢销试样的磨损量一直降低,45#钢环试样的磨损量、摩擦系数先降低后增加;磨损机制主要为氧化磨损和黏着磨损.     

偏置磁场对磁致伸缩纵向导波换能器效能的影响研究

为提高磁致伸缩导波换能器的激励效能,本文研究了磁场结构参数对偏置磁场空间分布的影响。基于COMSOL有限元仿真平台,对磁致伸缩换能器磁场分布特性进行了数值计算,研究了磁路结构形式、磁路和永磁铁数量等对偏置磁场分布的影响,最后优化出适合纵向导波激励的磁场结构参数。检测实验结果表明,随着偏置磁场磁路数量的增加,偏置磁场强度增大,磁场径向均匀性更好,磁致伸缩换能器的效能也相应提高;在相同磁路数量的条件下,永磁体数量的改变对换能器效能影响较小,四磁路偏置磁场最优;轭铁中部增加永磁铁后的磁路结构的偏置磁场的轴向均匀性更高,其激励效能更好。     

磁场对双扩散液层热毛细对流的影响

通过数值模拟的方法对磁场作用下的双扩散液层热毛细对流进行了研究, 模型中同时考虑了热毛细效应和溶质毛细效应的存在. 研究结果显示, 外部磁场能够有效削弱液层内热毛细对流的强度, 改变热毛细对流的对流结构; 随着磁场强度的增大, 液层内热毛细对流的对流强度逐渐减小, 热质传递过程中扩散效应逐渐得到增强; 最终, 溶质浓度沿水平方向呈梯度分布. 因此, 当磁场强度足够大时能够实现晶体生长中所需的纯扩散条件.     

有关多层流体对流的研究

简述多层不相混流体系统的研究发展，尤其是在空间材料生长过程中的应用；介绍多层流体系统内流体对流及传热现象，以及利用理论分析、实验研究和数值模拟方法研究二层及三层流体内的自然对流及热毛细对流的成果，并分析探讨覆盖液体层对被覆盖液体的动力控制特性及其系统的稳定性     

基于热格子Boltzmann方法的自然对流数值模拟

对Eggels和Somers提出的热格子Boltzmann格式进行了改进. 在不可压缩流动的假设下,提出了一种新的温度平衡分布函数,可以克服压缩性对温度统计的影响,并且相应地修正了统计宏观温度的方法. Eggels和Somers的方法对速度和温度均采用半步长反弹格式边界条件,适合无滑移的速度边界条件.但是对温度采用该边界条件在物理本质上显得不够准确,所以在边界上对二者统一采取算法既简单又容易实现的非平衡态外推格式,同时可以与Boltzmann格式的整体二阶精度保持一致. 最后,利用改进的热格子Boltzmann方法(TLBM)模拟了Ra=10^6和Pr=0.71(空气)的方腔中的自然对流,模拟得到的流动参数与其它数值方法的结果吻合得很好,表明改进的热格子Boltzmann方法可以有效准确地模拟非等温流动.      

矩形液池内热毛细对流的流动不稳定性

热毛细对流及其不稳定性是微重力流体科学研究的重要内容. 对该问题的研究不仅有利于人们对微重力环境下流体行为、对流不稳定性和湍流转捩过程等基础物理现象的进一步认识,而且也将促进晶体生长、薄膜制备等空间和地面高新技术的发展. 实验研究了矩形液池中浅液层在水平温度梯度作用下产生的热毛细对流及其稳定性. 实验中,成功地利用PIV (particle image velocimetry) 技术对1mm2/s 硅油液层内的浮力热毛细对流流场结构进行了大量观测. 结果表明,液层中的流场结构经历了多种状态的转变,该过程会受到液层厚度的影响. 当液层厚度较小时,比如当d=2:8mm 时,随着液池两端温差的增大,液层中的流场结构会经历单胞对流到双胞对流再到多胞对流的转变,到达多胞对流状态之后,继续增大温差,对流涡胞的数量会有所减少,而当温差进一步增大到一定程度以后,整个液层转变为三维非定常流动;当液层厚度较大时,比如当d=4:5mm 时,随着温差的增大,流动模式的转变主要体现在水平截面流场截面上面,当温差增大到一定程度以后,在靠近高温端的附近区域会出现具有明显三维效应的"梭形结构",该梭形结构的尺寸随着温差的增大而增长,并在温差超过某个临界值时失去对称性,整个液层转变为三维非定常流动.     

INSTABILITY OF COUPLED THERMO-SOLUTE CAPILLARY CONVECTION IN LIQUID BRIDGE AND CONTROL BY ROTATING MAGNETIC FIELD

浮区法因具有无坩埚接触污染的生长优点而成为生长高完整性和高均匀性单晶材料的重要技术.但熔体中存在的毛细对流会给浮区法晶体生长带来极大挑战,这是由于对流的不稳定会导致晶体微观瑕疵的产生和宏观条纹等缺陷的形成.为了提高浮区法生长单晶材料的品质,研究浮区法晶体生长中毛细对流特性及如何控制其不稳定性显得尤为重要.本文采用数值模拟的方法对半浮区液桥内Si_xGe_1-x体系中存在的热质毛细对流展开研究并施加旋转磁场对其进行控制.结果表明：纯溶质毛细对流表现为二维轴对称模式,温度场主要由热扩散作用决定,而浓度场则由对流和溶质扩散共同支配;纯热毛细对流呈现三维稳态非轴对称流动,浓度分布与熔体内热毛细对流的流向密切相关,等温线在对流较大的区域发生弯曲;耦合溶质与热毛细对流则为三维周期性旋转振荡流.施加旋转磁场后,熔体周向速度沿径向向外增大,熔体内浓度场和流场均呈现二维轴对称分布.     

多孔介质中热对流的分叉机理研究

本文利用解析分析方法研究了数值模拟发现的多孔介质层中出现的对流分叉机理，指出控制方程中的Ｒａｙｌｅｉｇｈ数，是决定流动的特征参数。当Ｒａｙｌｅｉｇｈ数小于临界数值时，多孔介质内流动处于静止传热状态，并且这种状态是稳定的。如果Ｒａｙｌｅｉｇｈ数大于临界数值，非线性方程出现分叉解，文中指出，存在多个使平凡解失稳而分叉的临界Ｒａｙｌｅｉｇｈ数，当Ｒａｙｌｅｉｇｈ数由小到大经历这些临界数值时，其由平凡解发展起来的分叉解的流态，依次由单回流区转变为双回流区及三回流区。理论分析给出了分叉解和分叉解的振幅方程，阐明了分叉的机理，其结论和数值结果定性一致．     

热冲击作用下正交各向异性圆柱体的动应力及磁场矢量扰动的集中效应

给出一种解析方法求解在两种热载荷冲击作用下,正交各向异性圆柱体的动应力和磁场矢量扰动的集中效应.通过一种有限积分和拉普拉斯变换求出热磁变形运动方程的解析解,给出相应的动应力和磁场矢量扰动的解析表达式,得到柱体内动应力和磁场矢量扰动的响应历程及分布规律.     

磁流体流动控制中的磁场配置效率研究

采用数值模拟方法研究了不同磁场空间构型对弹道式再入飞行器基准外形表面热流分布的影响. 计算模型为低磁雷诺数近似下的磁流体力学模型. 数值模拟结果表明两个大小相同、方向不同的磁偶极子对表面热流密度分布的影响存在较大差异,由此指出热流控制应用中磁场配置的效率问题. 随后的磁场详细作用机理分析表明上述差异的原因在于不同空间磁场分布对流动能量转化机制的影响不同. 以此为基础给出了在流动的不同区域,磁场空间分布应遵循的一般性原则.      

倾斜非均匀磁场下导电方管磁流体管流的数值模拟研究

热核聚变反应堆液态金属包层应用中的一个重要问题是液态金属在导电管中流动和强磁场相互作用产生的额外的磁流体动力学压降.这种磁流体动力学压降远远大于普通水力学压降.美国阿贡国家实验室ALEX研究小组,对非均匀磁场下导电管中液态金属磁流体动力学效应进行了实验研究,其实验结果成为液态金属包层数值验证的标准模型之一.液态金属包层在应用中会受到不同方向的磁场作用,本文以ALEX的非均匀磁场下导电方管中液态金属管流实验中的一组参数为基础,保持哈特曼数、雷诺数和壁面电导率不变,采用三维直接数值模拟的方法,研究了外加磁场与侧壁之间的倾角对导电方管内液态金属流动的速度、电流和压降分布的影响.研究结果表明:沿流向相同横截面上的速度、电流以及压力分布均随磁场的倾斜而同向旋转.倾斜磁场均匀段,横截面上的高速区位于平行磁场方向的哈特曼层和平行层交叉位置,压力梯度随磁场倾角的增大先增大后减小.倾斜磁场递减段,在三维磁流体动力学效应作用下,横截面上的高速射流位置向垂直磁场方向偏移.磁场递减段的三维磁流体动力学压降随磁场倾角的增大而增大.随磁场倾斜,截面上的射流峰值逐渐减小,二次流增强,引发层流向湍流的转捩.