侧向局部加热对流斑图的演化

通过二维流体力学方程组的数值模拟,探讨了普朗特数Pr(28)703.0时高宽比A(28)10矩形腔体内侧向局部加热自然对流在初始小扰动下的成长情况和格拉晓夫数(Gr)对对流的影响规律.研究表明,流速场线性成长阶段扰动的成长率mγ是格拉晓夫数的函数,并给出了成长率随着格拉晓夫数的变化关系式.随着Gr数的增加,对流斑图按定常流—周期—准周期变化,在周期性阶段观察到了2种新的对流斑图,即相位错位对流斑图和同相位对流斑图.最后,探讨了腔体尺寸(d)对对流振幅和热壁面传热能力的影响.     

侧壁面正弦加热条件下自然对流研究

通过采用SIMPLE算法求解二维流体力学基本方程组,研究了侧壁面正弦加热条件下普朗特数Pr=6.94的流体自然对流的动力学特性。结果表明,当格拉晓夫数Gr=4.4×10~3时系统由稳态阶段向周期阶段转变。在周期性阶段存在两种特殊的对流结构,它们是单局部对流卷和双局部对流卷;给出了特征物理量的分布及变化规律;说明垂直最大流速、水平最大流速、努塞尔数随着格拉晓夫数的增加而增加。最后,分析了腔体宽度对热壁面传热能力的影响,发现:当高宽比一定条件下,腔体宽度较大时,热壁面的传热能力较弱;对于宽度d分别为1cm和2cm的腔体,随着格拉晓夫数增大,最大努塞尔数的差值增大。     

侧向局部加热腔体内对流时空结构的研究

通过二维流体力学基本方程组的数值模拟,研究了普朗特数Pr=6.949时侧向局部加热腔体内水平温差驱动的自然对流。仔细观察腔体内水平流的入侵过程,发现在冷热流体交接面的上下部位同时出现了冷入侵流和热入侵流,并且在交汇处有破碎扰动波出现。揭示了周期性双局部对流结构,并发现在右壁面温度高于左壁面温度区域顶部有对流卷生成,对流卷随时间沿侧壁面向腔体下部移动,最后消失,同时又有新对流卷在该区域顶部生成,这种现象重复循环着。结果表明:在右壁面温度高于左壁面温度区域,热边界层厚度(θδ)随腔体高度增加而增大;在右壁面温度等于左壁面温度区域,θδ值随腔体高度增加而减小;并且格拉晓夫数(Gr)越大,θδ值越小。     

格拉晓夫数Gr对侧向局部加热腔体内对流结构的影响

通过二维流体力学基本方程组数值模拟,研究了Pr=6.949时侧向局部加热腔体内不同格拉晓夫数Gr对对流结构的影响.发现随着格拉晓夫数Gr增加出现以下四种情况:准定常流→单局部周期滚动→双局部周期滚动→定常流.还分析了周期对流阶段的对流特性.随着格拉晓夫数Gr增大,对流卷随时间移动的周期减小.随Gr增大,在0≤≤Y 5.2和0.5≤≤Y 5.7范围内对流卷逐渐消失,在5.2≤≤Y5和5.7≤≤Y10范围内对流卷由单对流卷变为多对流卷.     

Rayleigh-Benard对流中小扰动的发展及对流斑图

通过二维流体力学的扰动方程组的数值模拟,探讨了分离比ψ=-0.2时,长高比Γ=30的矩形腔体中混合流体Rayleigh-Benard对流发生点附近扰动的成长和斑图的形成。结果表明:温度场线性成长阶段扰动的成长率γ_m是相对瑞利数r的函数,成长率γ_m随着相对瑞利数r的变化关系式为γ_m=0.9351r~(5.2039);在对流发生点附近的瞬态斑图取决于相对瑞利数r。给出了不同的相对瑞利数r(r分别为1.5、1.7、1.8)的情况下从小振幅到大振幅稳定状态的过渡过程中的两种不同的对流斑图,并讨论了其动力学特性。研究发现,当r较大时,存在行波与定常波共存的现象。     

仿生波纹夹层结构耐撞性分析及优化

为提高薄壁夹层结构耐撞性,以虾螯为仿生原型,设计梯度分布的仿生波纹形夹层结构,包括单层、双层和三层波纹结构。以初始峰值载荷F_p、比吸能E_s为耐撞性指标,利用有限元法分析了单元高宽比γ（γ₁、γ₂和γ₃分别为单元第1层、第2层和第3层的高宽比）对波纹夹层结构耐撞性的影响,采用多目标粒子群优化方法得到了夹层结构最优参数。结果表明,单层波纹结构耐撞性随单元高宽比γ的增大逐渐变差,双层波纹结构下层结构单元高宽比γ对耐撞性的影响大于上层结构单元高宽比γ对耐撞性的影响,较小的γ值有利于提高三层波纹结构的比吸能。结构优化结果表明:单层结构最优尺寸γ₁为0.8;双层结构最优尺寸为γ₁ = 0.5和γ₂ = 1.2;三层结构最优组合为γ₁ = 0.6,γ₂ = 0.6和γ₃ = 0.9。上述结果可为薄壁夹层结构轻量化设计提供新思路。     

高径比对GaAs熔体液桥热毛细对流失稳的影响

采用基于谱元法线性稳定性分析方法,研究了高径比对GaAs熔体(Pr=0.068)液桥热毛细对流失稳的影响,同时结合能量分析揭示了热毛细对流的失稳机制.研究结果表明:与典型低普朗特数(例如Pr=0.011)熔体静态失稳模式和典型高普朗特数(例如Pr>1)熔体振荡失稳模式不同,GaAs熔体热毛细对流失稳模式依赖于液桥高径比...     

正弦波温度边界下多孔介质方腔内非热平衡对流传热数值模拟

采用局部非热平衡模型,在方腔左侧壁面温度正弦波变化、右侧壁面温度均一的边界条件下,通过SIM-PLER算法数值研究了固体骨架发热多孔介质方腔内的稳态非达西自然对流,主要探讨了不同正弦波波动参数N及方腔的高宽比M/L对方腔内自然对流与传热的影响规律。计算结果表明:正弦波温度边界使得方腔内的流场出现了复杂的变化,流体及固体区域左侧壁面附近出现了周期性的正负变化的温度场分布,左侧壁面局部Nusselt数出现了周期性的震荡现象;存在一个最佳温度波动参数N=1,此时多孔介质方腔内的整体散热量达到最大值;增加方腔高宽比会显著地削弱方腔内的自然对流传热过程,小高宽比也会在一定的程度上削弱多孔介质方腔内的对流传热。     

矩形倾斜腔体中的两种对流斑图和分区

为了研究矩形倾斜腔体中普朗特数Pr=0.72的流体对流斑图和分区,本文基于流体力学方程组进行了数值模拟。在相对瑞利数r=6.0的情况下,观察了倾角θ=10°和θ=60°时对流斑图随着时间的发展,发现系统存在单圈型对流和多圈型对流两种斑图。流线随着倾角的变化说明:随着倾角增加,对流圈数逐渐减少,对流波长逐渐增加,对流波数减小;然后,随着对流圈数显著地减少,系统由多圈型对流过渡到单圈型对流。根据模拟计算结果,给出了多圈型对流过渡到单圈型对流的临界倾角θc随着相对瑞利数r变化的关系曲线。对流在θ-r平面上分为两个区域:θ<θc时系统是单圈型对流,θ>θc时系统是多圈型对流。对流最大振幅A和努塞尔数Nu随着倾角θ的变化曲线被临界倾角θc分成两段,它们有不同的变化规律。因此,临界倾角也可以由对流最大振幅A或努塞尔数Nu的变化曲线来确定。     

侧加热腔内的自然对流

开展侧加热腔内自然对流的研究具有重大的环境及工业应用背景. 总结侧加热腔内水平温差驱动的自然对流的最新研究进展, 并概述相应的流动性质、动力机制和传热特性以及对不同无量纲控制参数的依赖也有重要的科学价值. 已取得的研究结果显示突然侧加热的腔内自然对流的发展可包括初始阶段、过渡阶段和定常或准定常阶段. 不同发展阶段的流动依赖于瑞利数、普朗特数及腔体的高宽比, 且定常或准定常阶段的流态可以是定常层流流动、非定常周期性流动或者湍流流动. 此外, 回顾了对流流动失稳机制的研究成果以及湍流自然对流方面的新进展. 最后, 展望了侧加热腔内的自然对流研究的前景.      

一种用于分析封闭腔内湍流自然对流换热的k-ε新模型

由于目前用于求解湍流自然对流流动与传热的k-ε模型在应用过程中存在不足,结合高雷诺数k-ε模型需要借助壁面函数法来确定壁面上相关参数值和低雷诺数k-ε模型在近壁区布置更多节点以便获得粘性底层详细信息的特点,重新定义了湍流普朗特数σt的计算式,提出了一种修正的k-ε新模型;利用该模型对封闭方腔内的湍流自然对流流动与传热进行了数值分析。结果表明:与文献中数值模拟结果相比,当108≤Ra≤1014时本文模型所得壁面平均努塞尔特数更接近文献中的实验值,与实验值之间的相对误差在8%以内;壁面的局部努塞尔特数与文献中的实验值吻合得较好。这说明本文模型用于求解封闭腔内湍流流动与传热问题是合适的,比其它湍流模型更能准确地描述封闭腔内湍流自然对流换热中边界层发展与壁面传热特性之间的内在联系。     

底部周期加热的局部对流斑图

运用Simple算法对二维流体力学基本方程组进行了数值模拟,探讨了普朗特数(Pr)为0.0272时矩形腔体底部周期加热对对流时空斑图的影响。当水平流动雷诺数(Re)为0时,发现了由正弦波周期加热引起的稳定的局部定常对流。当Re≠0时,由于正弦波周期加热与水平流动相互作用,获得了由正弦波周期加热和水平流动引起的局部行波对流。进一步比较和讨论了底部正弦波周期加热局部对流和混合流体Rayleigh-Benard局部对流的时空斑图,发现它们存在不同的机理。     

水平流动对周期加热的Rayleigh-Bénard对流的影响

采用二维流体力学基本方程组对普朗特数Pr=0.0272的具有水平流动周期性加热的Rayleigh-Bénard对流特性进行数值模拟.结果说明,当相对瑞利数给定时,对流斑图的形成取决于水平流动强度.由对流斑图随着时间的变化确定了对流周期.随着相对瑞利数的减小,对流周期适应的水平流动强度减小,并且水平流动强度的存在范围减小.随着相对瑞利数的增加,对流周期变小.随着水平流动强度的增加,对流周期变小,并且对流周期变化的梯度变小.随着水平流动强度的增加,两个局部行波对流区的范围减小,水平流动区间增加.然后,随着水平流动强度的进一步增加,第一对流区先消失.当水平流动强度足够大时第二对流区也消失.腔体内形成水平流动.随着相对瑞利数的增大,第一对流区和第二对流区消失的临界水平流动强度也增大.     

浮力对混合对流流动及换热特性的影响

用热线和冷线相结合的技术测量垂直圆管内逆混合对流流体的平均速度、 温度以及它们的脉动. 较详细地研究了浮力对逆混合对流的流动特性和传热特性的影响. 评 估了实验中采用的冷线测量温度补偿速度探头温度敏感的影响. 逆混合对流的传热结果用无 量纲参数Ω (Ω= Grd / Red2 )来表示，其中，基于管道直 径的雷诺数Red变化范围为900~18000, 浮力参数Ω变化范围为 0.004899~0.5047. 研究结果表明，浮力对逆混合对流的换热有强化作用. 随着葛拉晓夫数Grd的增加，温度脉动，流向雷诺正应力和流向温度通量增 大，并且在靠近壁面的流体区域尤其明显. 热线与冷线相结合的技术适合于研究非绝热的流 动测量，可以用于研究浮力对流动和换热特性的影响.     

腔体高度对Rayleigh-Bénard对流的影响的二维数值分析

腔体高度的改变会对Rayleigh-Bénard对流产生影响.本文利用二维流体力学基本方程组进行数值模拟,在相对瑞利数r(28)5,腔体高度0 0 0 0 0d(28)1d,1.4d,1.8d,2d,3d(cm10d(28))时,研究了对流运动的动力学特性,发现随着腔体高度d的增加,稳定对流的对流圈数与之呈线性反比例关系,而对流波数k随之基本保持恒定;对流稳定后,对流振幅和努塞尔数随腔体高度d增大而减小,且得出对流振幅和努塞尔数随着相对腔体高度0/dd变化的函数关系式.在腔体高度0 0 0d(28)1d,1.4d,1.8d情况下,对流振幅和努塞尔数都随相对瑞利数r的增大而增大;且腔体高度d越大,其增长率反而越小.     

周期加热的Rayleigh-Benard对流时空结构

通过二维流体力学基本方程组的数值模拟,研究了普朗特数Pr=6.99时矩形渠槽周期加热对Rayleigh-Benard对流时空结构的影响．当水平流动强度Re=0时,发现稳定的由周期加热引起的局部定常对流．当Re比较小时,对流滚动抑制水平流动,获得了由周期加热引起的局部行波对流．当水平流动强度比较大时,由于周期加热与水平流动相互作用,水平流动抑制部分对流滚动,导致对流区域上游附近出现传导区域,对流区域减小,从而形成一种新的局部行波对流结构．并进一步讨论了Rayleigh-Benard对流时空结构的动力学特性．     

密度处理方法在圆柱腔体大温差自然对流数值模拟中的影响

采用Boussinesq近似、不可压-理想气体及密度线性差分三种密度处理方法对大温差(?Tmax=1000K)竖直圆柱腔体的定常自然对流进行了模拟.首先,通过模拟一封闭方腔流动并与文献对比,验证了数值模拟方法的有效性.在此基础上,进一步研究了圆柱腔体中表面曲率κ、瑞利数Ra及温差ΔT的影响,特别是这些因素影响下不同密度处理方法对热壁面平均努谢尔特数Nuave数值结果的影响.结果表明,表面曲率κ是影响圆柱腔体自然对流换热的重要因素,且随着κ的不断减小,其Nuave数会逐渐趋近于方腔对流;同时,在温差ΔT和表面曲率κ较大时,基于Boussinesq近似的方法对Nuave的预测存在较大偏差.     

哈特曼边界层的初级稳定性分析

导电流体在法向外置磁场的作用下,在贴近壁面处会形成哈特曼边界层.哈特曼边界层的稳定性研究对电磁冶金过程和热核聚变反应冷却系统等相关设备的设计和运行都有着十分重要的意义.本文采用非正则模态稳定性分析方法,对两无限大绝缘平行平板内导电流体流动的稳定性进行了研究.通过在时间上迭代求解扰动变量的控制方程组和伴随控制方程组,获得了在磁场作用下初级扰动的增长情况及其空间分布形式,分析了磁场强度对最优扰动增长倍数G_max、最优展向波数β_opt和最优时刻t_opt的影响,并考察了上下两个哈特曼边界层之间的相互作用.结果表明,最优初始扰动的空间分布形式为沿着流场方向的漩涡,关于法向方向对称或者反对称.当哈特曼数Ha较大时(Ha>10),对称漩涡和反对称漩涡形式的初始扰动增长倍数基本相等;上下两个哈特曼边界层可以认为是彼此独立的,不会相互影响,此时最优扰动增长倍数G_max与局部雷诺数R的平方成正比,相应的最优展向波数β_opt和最优时刻t_opt均正比于哈特曼数Ha.当哈特曼数Ha较小时(Ha<10),反对称漩涡形式的初始扰动更为不稳定,其增长倍数大于对称漩涡的增长倍数,且上下两个边界层之间存在着一定的相互作用,并对整个流场的稳定性产生一定的影响.      

Bingham流体双自由面热毛细液层的稳定性分析

热毛细对流是流体界面温度分布不均导致的表面张力梯度驱动的流动.它主要存在于空间等微重力环境或小尺度流动等表面张力占主导的情况中.在很多工业领域,如晶体生长、聚合物加工、喷墨打印、微流控,产品质量都与热毛细对流密切相关.空间3D打印是太空制造的重要技术,可以支持空间站的在轨长期有人照料的运行和维护,实现按需制造.本文以聚合物流体的空间3D打印为应用背景,采用线性稳定性理论研究了Bingham流体双自由面热毛细液层的稳定性,得到了在不同Bingham数(B)下的临界Marangoni数(Mac)与Prandtl数(Pr)的函数关系,分析了临界模态的流场和能量机制.研究发现:该流动的临界模态包括流向波和斜波模态,与B, Bi和两界面垂直方向上的温差(Q)相关. B和Bi的增加会增强热毛细对流的稳定性.当Q=0时,扰动温度分布分成对称和反对称两种情况.当Q> 0时, Pr的增加会减弱流动稳定性.在小Pr情况下,扰动温度分布在整个流场,在大Pr情况下,扰动温度在栓塞区为零.能量分析表明:扰动动能的主要能量来源是表面张力做功,但小Pr数下基本流也有一定贡献.     

三维不等直径串列圆柱绕流的双涡脱落流态频率特征研究

采用大涡模拟方法计算Re=2×10~3三维不等直径串列圆柱(d/D≤1)绕流问题。结果显示,处于双涡脱落流态时,随着串列圆柱间距增加,上游圆柱量纲为一的涡脱频率值St₁总体上升,而下游圆柱量纲为一的涡脱频率值St₂存在先下降后上升的变化规律。在圆柱间距较小的情况下,St₂随着串列圆柱间距的增加而减小,量纲为一的涡脱频率比值、直径比与间距比之间近似满足St₂/St₁∝(L/D)^-1/4(d/D)的幂指数关系;在圆柱间距较大的情况下,圆柱间时均流向速度提高并趋近主流区速度,St₂随间距比增加而上升。在较小直径比串列圆柱情形下,下游圆柱量纲为一的涡脱频率St₂可下降至更低的临界拐点,从而产生“次谐波涡脱锁定”现象。