带有球凹/球凸的旋转通道内流动结构和强化换热的数值研究

对带有凹坑和凸包的内流通道在不同旋转数下的对流换热特性进行了数值分析,探讨了Coriolis力对通道中流场和换热特征的影响．研究发现,随着旋转数增加,通道前缘呈现出较弱的流动冲击,但存在较大的尾迹和延迟的流动再附着,后缘凹坑内部有一较小旋涡和较强射流使得后缘传热得到强化,最高可达60%．总体Nusselt数随着旋转数的增加先减小而后增大.     

同心球间旋转流动Lorenz系统的动力学行为及仿真

0引言两个同心旋转球之间的流动简称为球Couette流动,作为一个简单的模型,研究它能够为揭示流动失稳转捩至湍流这一重大理论课题的规律提供线索.由于球Couette流动更象全球大气流动,研究它也能成为研究大气物理提供一个粗略的模型,为这一方面的研究提供一些理论指导.因此,球Couette流动的研究有很大的理论价值.Khlebutin,Sawatski和Zierep通过实验发现,在低Reynolds数下的球Couette流是轴对称和关于赤道反     

微通道周期流动电位势及电粘性效应

求解了双电层的Poisson-Boltzmann方程和流体运动的Navier-Stokes方程,得到在周期压差作用下,二维微通道的周期流动电位势,流动诱导电场和液体流动速度的解析解．量纲分析表明,流体电粘性力与以下3个参数有关:1) 电粘性数,它表示定常流动时,通道最大电粘性力与压力梯度的比;2) 形状函数,它表示电粘性力在通道横截面的分布形态; 3) 耦合系数,它表示电粘性力的振幅衰减特征和相位差．分析结果表明,微通道周期流动诱导电场、流动速度与频率Reynolds数有关．在频率Reynolds数小于1时,流动诱导电场随频率Reynolds数变化很慢．在频率Reynolds数大于1时,流动诱导电场随频率Reynolds数的增加快速衰减．在通道宽度与双电层厚度比值较小情况下,电粘性效应对周期流动速度和流动诱导电场有重要影响．     

气固两相弯管湍流场中圆柱状颗粒取向和沉积特性的研究北大核心CSCD

针对在Reynolds数Re=3000~50000、Stokes数S_(tk)=0.1~10、Dean数De=1400~2800的情况下,长径比β=2~12的圆柱状颗粒流经弯管湍流场时的取向与沉积特性进行了研究.圆柱状颗粒的运动采用细长体理论结合Newton第二定律进行描述,取向分布函数由Fokker-Planck方程给出,平均湍流场通过求解Reynolds平均运动方程结合Reynolds应力方程得到,作用在颗粒上的湍流脉动速度由动力学模拟扫掠模型描述.通过求解湍流场以及颗粒的运动方程和取向分布函数方程,得到并分析了沿流向不同截面和出口处颗粒的取向分布,讨论了各因素对颗粒沉积特性的影响.研究结果表明,随着S_(tk)和颗粒长径比β的增加、De和Re的减少,颗粒的主轴更趋向于流动方向.颗粒的沉积率随着De,Re,S_(tk)和颗粒长径比的增大而增加,所得结论对于工程实际应用具有参考价值.     

基于线性化Navier-Stokes方程二维水槽内单涡到双涡的数值模拟

建立了Navier-Stokes方程的预估-校正有限差分方法,在此基础上求得了二维水槽内部单涡到双涡的数值解,所得结果与前人的数值结果和解析解吻合很好.数值模拟结果表明,自由振动运动中自由面波高因粘性作用会发生衰减,且Reynolds数越大衰减越缓慢.在短时间内倾斜加速度激励下对于不同Reynolds数会出现一定周期的单涡.经过长时间的倾斜激励,水槽内涡场由单涡变化成双涡,而且只在较低的Reynolds数条件下出现双涡.     

矩形微通道热沉内单相稳态层流流体的流动与传热分析

采用解析方法分析了矩形微通道热沉内单相稳态层流流体的流动与传热．基于y方向流速和导热不变的假设,建立流体在矩形微通道内流动的流速方程和传热的温度方程,进而推导出Nusselt数和Poiseuille数的理论表达式．通过计算结果可以看出,推导的Nusselt数和Poiseuille数的解析解与其他文献的结果吻合较好,而且当宽高比趋于无穷大时,Nusselt数和Poiseuille数分别趋近于8.235和96,这与其他文献结果完全相同．在Reynolds数相同时,摩擦因数随着宽高比的增加而增加,而在相同宽高比时,摩擦因数随Reynolds数的增加而减小．     

Re=3900的圆柱绕流湍流模拟对比研究

重点采用DDES和CLES研究基于Reynolds(雷诺)数3 900的圆柱绕流.大量已有实验和数值研究结果表明:圆柱后缘流动结构和回流区长度与数值空间离散格式息息相关.基于此考虑,选用了一个优化格式并通过典型的简单湍流流动和强激波流动验证了格式对多尺度结构和激波的捕捉能力.然后,分别采用DDES和CLES对基于Reynolds数3 900的圆柱进行数值模拟.通过对比圆柱表面压力分布、圆柱表面平均速度型和圆柱尾迹区的时均脉动量,发现CLES相比于DDES与实验值吻合更好.从瞬时流场来看,DDES和CLES都能捕捉丰富的流场结构,此外,CLES在物面附近区域包含更多微小脉动.最后,尽管CLES对时均脉动捕捉好于DDES,但是程序实现更加复杂.     

Re=3900的圆柱绕流湍流模拟对比研究（英文）

重点采用DDES和CLES研究基于Reynolds(雷诺)数3 900的圆柱绕流.大量已有实验和数值研究结果表明:圆柱后缘流动结构和回流区长度与数值空间离散格式息息相关.基于此考虑,选用了一个优化格式并通过典型的简单湍流流动和强激波流动验证了格式对多尺度结构和激波的捕捉能力.然后,分别采用DDES和CLES对基于Reynolds数3 900的圆柱进行数值模拟.通过对比圆柱表面压力分布、圆柱表面平均速度型和圆柱尾迹区的时均脉动量,发现CLES相比于DDES与实验值吻合更好.从瞬时流场来看,DDES和CLES都能捕捉丰富的流场结构,此外,CLES在物面附近区域包含更多微小脉动.最后,尽管CLES对时均脉动捕捉好于DDES,但是程序实现更加复杂.     

近临界流体微通道内流动稳定性和换热特性研究

微尺度条件下的化工、医药、传热与能源利用等系统的研究已经成为极具潜力和挑战性的课题.相应条件下流体流动和换热的分析必须考虑尺度效应所带来的系列问题.该研究采用了数值模拟方法对近临界二氧化碳流体在微尺度通道内的流动稳定性和换热特性进行了探索.研究发现,在近临界区域内由于流体较强的膨胀特性和较低的热扩散特性,在微尺度几何条件下会产生瞬态不稳定的漩涡流动.该种条件下微尺度对流换热和混合效率都得到了大幅提高.进一步,研究针对微尺度局部稳定性演化进行了机理分析并应用了参数估计,总结获得了微通道内近临界流体瞬态换热和混合的基本特性.     

金属泡沫微流道热沉内流体流动与传热特性的数值研究

为改善高能量密度电子设备的冷却效率,提出了在微流道热沉内填充金属泡沫的新型热沉结构,并数值研究了金属泡沫的孔隙率、孔密度、材质(铜、镍及铝)、流体工质(水、乙二醇及纳米流体)等相关参数对微流道流动与换热特性的影响.研究结果表明:金属泡沫可以显著地强化微流道热沉的换热特性;添加金属泡沫后微流道热沉的换热性能可提高2倍以上;采用纳米流体与金属泡沫相结合的双重强化换热手段可以进一步地增强微流道热沉的冷却能力;在层流流动状态下金属泡沫微流道热沉可以对发热量为200 W/cm2的电子设备进行有效地冷却,表明其在高功率密度电子设备热管理领域具有广阔的应用前景.     

微极液体在两个多孔圆盘间的MHD流动及其热传导

两个平行的无限大多孔圆盘,圆盘表面有均匀注入时,数值地研究圆盘间不可压缩导电微极流体,在横向外加磁场作用下的轴对称稳定层流.运用von Krmn的相似变换,将非线性运动的控制方程转化为无量纲形式.使用基于有限差分格式的算法,在相应的边界条件下,求解简化后耦合的常微分方程组.讨论Reynolds数、磁场参数、微极参数和Prandtl数,对流动速度和温度分布的影响.在特殊情况下,所得结果与已有文献的工作有着很好的一致性.研究表明,圆盘表面的传热率随着Rynolds数、磁场参数和Prandtl数的增加而增加;剪切应力随着注入的增加而减少,但它随着外部磁场的加强而增加.和Newton流体相比较,微极流体的剪切应力因素较弱,有利于聚合体加工过程中流动和温度的控制.     

钝体分离旋涡流动的区域分解、杂交数值模拟——Ⅰ.理论方法及其应用

为克服涡旋法不能精确预计物体附近小尺度流动结构的理论缺陷,减少高Reynolds数流动N-S方程差分解的困难,本文提出一种区域分解、杂交耦合N-S方程有限差分解及涡旋法的新的数值模型和理论方法.将流场分解为内外两区,在靠近物体表面、范围为O(R)的内区进行N-S方程有限差分解,外区作Lagrange-Euler涡旋法解,建立了分区流动的联结、耦合条件,给出了杂交耦合求解的数值计算方法.用本方法作了Re=10²,10³的圆柱绕流计算,考察了区域交界面位置变化时解的稳定性.与全场N-S方程解及实验结果的比较表明本文方法能精确预计流动分离及近场流动的详细结构,并可有效地计算流动的总体特性,且比全场N-S方程解显著节省机时和计算量.     

平行双射流场纳米颗粒的形成与凝聚的研究

对平行双射流中H2SO4蒸气扩散进行了大涡模拟,给出了硫酸/水系统成核生成纳米颗粒及颗粒的凝聚过程中颗粒的分布特性,分析了燃料中硫的浓度、环境相对湿度以及射流Reynolds数对于颗粒浓度和粒径分布的影响．结果表明,硫酸/水系统会成核生成大量的纳米颗粒,在双管射流的中间和射流场周围,颗粒具有较高的浓度;颗粒的凝聚过程使颗粒的数量减少、直径变大;随着硫的浓度的增加,流场中的颗粒浓度有明显增加,而成核后形成的颗粒直径减小;环境湿度和Reynolds数的增大,有利于成核过程,因而导致形成更多的颗粒．     

超音速后掠椭圆柱横流定常涡的不稳定特性及转捩预测

实验发现,一定条件下超声速后掠圆柱的前半圆上可能发生定常涡引起的转捩.为了模拟高空超音速飞行器后掠翼前缘,以无限展向长度后掠椭圆柱为模型,基于eN方法,根据积分的N值,分析了迎风轴长度、Reynolds(雷诺)数、后掠角和Mach(马赫)数等参数的变化对超音速后掠椭圆柱横流定常涡不稳定性的影响.研究结果表明,后掠椭圆柱的迎风轴长度增加,会使横流定常涡的不稳定性增强;Reynolds数增大,使横流定常涡模态的不稳定性增强;不稳定性的强度与Reynolds数的大小为近似线性关系;飞行高度增加,Mach数变大,使横流定常涡的不稳定性变弱;后掠角在一定范围内的变化对横流定常涡的不稳定性影响不大.这些结果有助于提高对高空超音速飞行器翼前缘转捩机理的认识,为横流转捩预测提供理论指导     

微重力条件下舱内通风换热的地面模拟技术

在微重力条件下,舱内的强迫通风换热占绝对优势,在地面由于重力的影响,会产生自然对流,从而形成混合对流换热.通过理论分析和数值模拟,发展了一种温度-材料-Nusselt数综合保持技术,即利用舱内的通风,通过减小尺寸降低Grashof数,提高速度保持Reynolds数,使Gr/Re²小于某一值,从而达到抑制自然对流、消除或减小重力影响的目的,从而能保持原型和模型的Nusselt数不变、流场和温度场的相似.利用数值计算的方法,对这一技术进行了验证.     

用DES分离涡方法数值模拟串列双圆柱绕流问题

主要开发了SST-DES和SST-DDES两种分离涡方法,并集成到基于开源代码平台Open-FOAM开发的CFD求解器naoe-FOAM-SJTU中.选用高Reynolds(雷诺)数下串列双圆柱绕流问题作为标准算例来验证所开发的分离涡方法.该标准算例此前在美国国家航空航天局兰利研究中心的两个不同风洞做过物理试验.该研究将数值模拟得到的时均流场信息和一些其他物理量同物理试验结果比较,同时讨论分析了三维瞬态流场结构.结果表明该文开发的SST-DES和SST-DDES分离涡方法能够解决高Reynolds数下有大量流动分离的复杂流动问题.     

纳米粒子在弯管中的输运和沉降特性

用摄动法对不同Reynolds数和Schmidt数的纳米粒子在圆截面弯管中的运输和沉积进行了求解.结果表明,当悬浮纳米粒子在直管中流动时,粒子输运模式不依赖于粒子的大小和其它参数.在弯管中运动时,管道外弯侧具有最多的沉积粒子而内弯侧的沉积粒子最少.在管道的上部和下部,不同Schmidt数粒子的沉降特性一致.管道曲率、Reynolds数和Schmidt数对粒子相对沉积效率的影响具有二阶,四阶和一阶的作用.     

用DES分离涡方法数值模拟串列双圆柱绕流问题（英文）

主要开发了SST-DES和SST-DDES两种分离涡方法,并集成到基于开源代码平台Open-FOAM开发的CFD求解器naoe-FOAM-SJTU中.选用高Reynolds(雷诺)数下串列双圆柱绕流问题作为标准算例来验证所开发的分离涡方法.该标准算例此前在美国国家航空航天局兰利研究中心的两个不同风洞做过物理试验.该研究将数值模拟得到的时均流场信息和一些其他物理量同物理试验结果比较,同时讨论分析了三维瞬态流场结构.结果表明该文开发的SST-DES和SST-DDES分离涡方法能够解决高Reynolds数下有大量流动分离的复杂流动问题.     

滑移和感应磁场对Johnson-Segalman流体蠕动传输的影响

存在感应磁场和滑移条件下,研究Johnson-Segalman(J-S)流体在平面通道中的蠕动流.通道中的流动认为是对称的,并在剪切应力项中考虑了速度的滑移条件.首先给出问题的数学公式,然后在长波长和低Reynolds数近似下,求解该方程组得到摄动解,确定沿管道截面的压力增量、轴向速度、微转动分量、流函数、磁力函数、轴向感应磁场和电流密度分布公式.导出了小数值Weis-senberg数时解的表达式,分析并勾画出诸流动物理量的有趣变化.     

基于Soret和Dufour效应的方腔内双扩散自然对流振荡特性研究

采用格子Boltzmann方法模拟研究了方腔内带Soret效应和Dufour效应的双扩散自然对流振荡特性.方腔内置高浓度发热圆且位于方腔中心,四周壁面均为低温低浓度.采用时间历程分析法和功率谱法分析了不同的浮升力比Br(2.0≤B_r≤10.0)、Soret数Sr(-0.6≤S_r≤0.0)和Dufour数Df(-0.6≤D_f≤0.0)下的方腔内部流动的振荡特性.研究结果表明:不考虑Soret和Dufour效应时,方腔内部流动呈现稳定状态,随着Df和Sr从0.0变化到-0.6,双扩散自然对流状态开始逐渐转变为周期性振荡和非周期性振荡,且振荡性随着浮升力比Br的增大而增强.