格子Boltzmann方法模拟微尺度流动和传热

本文采用格子Boltzmann方法(LBM)对微尺度Couette流的流动及传热进行了模拟.为了获得壁面边界的速度滑移和温度阶跃,在含有粘性热耗散的热格子模型的基础上,提出了一种新的直接基于宏观量的边界处理格式.模拟得到的速度场和温度分布与解析解吻合得相当好,充分说明了本文采用的模型和边界处理的合理性同时在模拟中还发现:对于不同的Kn数,均存在使得其上壁面的温度阶跃为零的临界Ec数,并且其临界值均在3.0附近.     

矩形微槽道气体流动的速度分布

矩形微槽道的各个流向截面可以局部近似为平面Poiseuille流动,应用信息保存(IP)方法和直接模拟Monte Carlo(DSMC)方法计算了从连续介质区到自由分子流区的平面Poiseuille流动,利用其结果对Beskok-Karniadadis公式和质量流率动理论因子进行修正和重新拟合,给出在整个稀薄气体流动领域都适用的微槽道气体流动速度分布.     

滑移流区内微环缝槽道中的层流流动与换热

本文针对微环缝槽道采用速度滑移和温度跳跃边界条件求解了不可压缩气体的Ｎ－Ｓ方程和能量方程,理论分析了微环缝槽道在单侧或双侧不同热流密度加热条件下的流动与层流换热特性,讨论了Ｋｎ数、内外径比对流动阻力及换热特性的影响。结果表明：滑移流区微环继通道内的流阻和Ｎｕｓｓｅｌｔ数明显低于连续流区;且随着Ｋｎ数的增加,流阻和Ｎｕｓｓｅｌｔ数均减小;但其随内外径比ｒ＊的变化趋势与连续流区相似。     

微尺度流动的扩展二阶滑移边界条件

本文提出了求解微流动Navier-Stokes方程的扩展二阶滑移边界条件.该边界条件依赖一个有效的分子平均自由程,并考虑了气体分子与壁面碰撞的影响,能够刻画Knudsen层内的流动.基于该边界条件,对微通道内的气体流动进行了研究,计算结果与实验数据和其他理论结果相吻合.     

粗糙度与气体稀薄性对微尺度流动特性的影响

对氮气和氦气在粗糙微通道以及光滑微通道内流动进行了阻力特性实验研究。实验结果表明,即使在较小的相对粗糙度高度下,由于微通道中的粗糙度分布密集,会极大地增加流动阻力,这是导致文献中微通道流动阻力系数实验值相互偏差的主要原因之一;而对于滑移区的气体流动,气体稀薄性使流动阻力明显减小而导致流量增加。     

离散速度方向模型在微尺度气体流动中的应用

离散速度方向模型是一种简化Boltzmann方程的新方法。该方法通过减少Boltzmann方程的维数来降低数值求解的计算量。在DVD模型中,分子速度的方向是离散的,而分子的速率仍然是连续的,这样就可以用一组三维的速率分布函数来代替Boltzmann方程中六维的速度分布函数。由于减少了三个动量维,同Boltzmann方程相比,DVD模型的数值计算量可以降低几个数量级。本文用数值的方法对DVD模型进行了研究。数值结果显示,在广泛的Knudsen数下,DVD方法可给出精确的计算结果。同线性化Boltzmann方程的计算结果相比,最大的误差不超过6%,在连续介质领域中,误差甚至不超过1%。     

微槽结构和工质对槽内流动沸腾的影响

本文报道实验测试甲醇等低沸点工质在微槽内流动沸腾特性的结果，并对所呈现的起始沸腾区有明显壁温回落等现象作出分析，从而在一定程度上揭示出微型槽道和工质本身特性对流动沸腾特性的影响。     

粗糙表面形貌对微尺度流动换热的影响

基于分形几何定量描述了多尺度自仿射的粗糙表面形貌,建立了微通道内层流流动换热的理论模型并对表面形貌的影响进行了数值模拟.研究表明,自仿射分形维数直接反映了表面轮廓的不规则度,对于两个具有相同统计粗糙度的轮廓,可能存在不同的分形维数;与常规尺度通道不同,雷诺数、粗糙高度和粗糙表面分形维数都对微通道内层流流动换热有着重要影...     

微流动的同伦分析法解析求解

建立了滑移流区二阶滑移流动的控制方程,引入相似变换将微尺度二阶滑移流动的控制方程变换为非线性常微分方程.采用同伦分析法解析求解了该方程,获得了微尺度滑移流动的速度分布,发现在不同Knudsen数下,充分发展段无量纲速度分布有同一交点.通过与文献结果对比验证了本文求解结果的正确性.为深入研究微尺度滑移流动的物理本质提供了数学支持.     

纳米通道内液体流动的滑移现象

采用分子动力学模拟方法研究了液态氩在铂纳米通道内的流动，通过改变流体和壁面之间的势能作用获得了流体和通道表面之间浸润性质不同时的滑移现象. 研究发现：液体分子在亲水性通道表面附近呈类固体性质，数密度和有序性较大，而在疏水性表面附近的平均数密度降低，形成一个低密度层；液体流动在固体表面的速度滑移随着液体与表面势能作用的增强而减小，当液体和表面的浸润性不同时可以发生滑移、表观无滑移和负滑移现象；液体在固体表面的表观滑移是液体在固体表面的速度滑移、粘附和流体内部滑移的综合作用的结果. 关键词： 纳米尺度流动 速度滑移 浸润性 分子动力学模拟     

压缩性和稀薄性对微通道气体流动换热的影响

本文对于微通道内稀薄气体二维可压缩滑移流动建立了数学模型,采用连续介质流动控制方程与壁面速度滑移和温度跳跃边界条件相组合描述该问题,并利用SIMPLE算法求解,所得结果与文献进行了对比,在相同条件下得到了较高的一致性.文中利用该计算模型的计算结果分析了气体的压缩性和稀薄性对微通道气体流动的影响,结果表明在所计算工况下稀薄性的影响更大。     

氨热法生长氮化镓晶体中传热传质的研究

本文利用基于非正交网格的二阶精度有限体积法,对氨热法生长过程中温度场和流场进行了模拟,其中隔板开孔率分别为10%(中心开孔5%,侧壁与隔板边缘开孔5%)和20%(中心开孔10%,侧壁与隔板边缘开孔10%).通过对流场和温度场的分析,了解了高压釜内部营养素的输运及溶液结晶的本质.结果显示在釜底的多孔介质层流动较弱,在流体层流动较强.在多孔介质层热量的输运主要通过热传导;在流体层中,流体与原料的分界处以及流体和高压釜的侧壁出现了大的温度梯度.     

管内变密度流体的充分发展流动与换热

本文提出了圆管内变密度流体流动与换热充分发展的概念及其相关假设.在所提出的概念和假设基础上给出了摩擦阻力系数Cf与Nusselt数Nu的定义式和计算式.通过对圆管内密度随温度变化的氩气的流动与换热所进行的数值模拟,验证了在本文的计算条件范围内,圆管内变密度流体充分发展流动与换热的概念是合理的,并且CfRe=16,Nu=4.36.     

粗糙平板微通道流动和传热的数值模拟

以粗糙平行平板微通道为研究对象,以三角形锯齿状粗糙元模拟固体表面的粗糙度,采用CFD流体固体共轭传热技术数值研究了绝对粗糙度和相对粗糙度对平行平板微通道流动和传热特性的影响,着重分析了粗糙度和流体速度对水力入口段长度和热力入口段长度的影响规律,同时研究了相对粗糙度对微通道转捩雷诺数的影响,为进一步揭示微微通道的流动和传热机理提供了依据.     

微圆管进口区气体流动与换热特性研究

对微圆管进口区运用一阶速度滑移和温度跳跃边界,考察了Kn、动量调和及热调和系数对流动与换热特性的影响机理和规律.模拟结果表明:流动进口段长度随Kn增加而增加,但随动量调和系数减小而减小;热进口段长度随Kn增加而增加,但随动量调和系数及热调和系数减小而减小;Nu数随Kn增加及热调和系数减小而减小,但随动量调和系数减小而增加.     

入口高度和热流对太阳能热烟囱系统内流动换热的影响

对从太阳能热烟囱系统抽象出的流动和换热模型进行了数值模拟.数值结果表明,随着底部加热热流密度的增加,系统内的空气流量增加;当集热棚高度变化时,流经系统的空气流量和系统出力存在最大值;在本文计算采用的几何和物理条件下,入口高度约为20 m时系统的空气流量取得最大值;系统内部的压力差随着集热棚高度的增加而减小.     

压力与流量对喷雾冷却换热特性的影响

本文是在封闭式喷射腔内,以一次蒸馏水作为工质,结合本文所给出的喷嘴高度 H 与有效流量 G' 相互关系的理论模型,对微喷嘴的工质入口压力 P 和工质有效流量 G' 对喷雾冷却的换热特性的影响进行了实验研究.研究结果表明,入口压力 P 对换热效果的影响非常小,而有效流量 G' 对换热效果的影响很大,并且存在一个能使换热效果达到最好的有效流量值.     

角管脉动热管的结构和尺度效应研究

根据角管毛细管中液体的分布以及汽液同向流动的特点,计算分析了正三角形和等腰直角三角形两种截面脉动热管中几种因素对热管传热性能的影响.计算结果表明,在充液率为 30% 时,两种角管脉动热管的热阻均在 0.1℃/W 以下;在相同加热功率和充液率时,等腰直角三角形截面脉动热管的传热性能优于正三角形截面的;截面形状相同时,水力直径较大的热管热阻值低于水力直径较小的热管;热管热阻值随接触角增大而减小.     

PEM燃料电池中的两相传质及其影响

建立了一个新的二维、两相流模型来研究质子交换膜(PEM)燃料电池中的两相传质及其对质子膜阻抗和阴极性能的影响。模型不仅将催化剂层(CL)包含在电极中,还考虑了电池中相变及其对传质的影响。模型可同时使用在电池的阴极和阳极。主要模拟了电池阴极中两相传质、质子膜阻抗、阴极有效孔隙率和电流密度。模拟结果显示,提高加湿温度可以降低质子膜的阻抗,但过高的加湿温度会降低阴极气体扩散层(GDL)的有效孔隙率,降低阴极的性能。