等边三角形微通道内层流的流动特性和换热特性的研究

研究等边三角形截面微通道内充分发展层流的流动特性和换热特性,基于Navier-Stokes方程的基本理论,在等边三角形一边向流体加入定常热流密度时,给出了微通道内充分发展层流的速度分布和温度分布的近似解,以及微通道内充分发展对流传热的摩擦因子和Nusselt数;并通过商业软件Fluent对微通道内的流动和换热进行数值模拟,得到通道内温度和速度的数值解,进而计算得到充分发展对流传热的摩擦因子和Nusselt数;二者进行对比,结果吻合很好,验证了计算结果的正确性.     

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.     

锥形微通道内液滴自输运特性及力学驱动机制研究

针对液体在微通道内的自输运特性,采用数值仿真与能量解析相结合的方法研究了液滴在锥形微通道内的自输运特性及力学驱动机制,得到微通道的锥形角、液滴与微通道内壁的接触角及微通道的润湿性对液滴自输运特性的影响关系.分析表明,微通道的锥形角、液滴与微通道内壁的接触角均能影响液滴的自输运方向及驱动力大小.对于亲水性微通道,微通道的锥形角、液滴与微通道内壁的接触角其作用效果呈现整体形态;对于疏水性微通道,微通道的锥形角、液滴与微通道内壁的接触角其作用效果呈现局域形态.这可为研究液体在微通道内的自输运机理及界面内液体细观流动机制奠定理论基础.     

环形扩压通道内有旋绕流动的研究

本文计算了环形截面的扩压通道内带进气旋绕的流动.在小横向流假定下.用三维边界层积分方程法求解内外壁面附近的流动.通过对子午面上与流线子午投影准正交方向的速度梯度方程和流量不变方程的迭代求解得出边界层外的势流场.计算与实验结果基本符合.本研究可用于分析环形扩压器内带进气予旋的流动.     

微通道液体流动双电层阻力效应

采用数值方法求解双电层的Poisson-Boltzmann方程和液体运动的Navier-Stokes方程,研究微通道双电层对压强梯度液体流动的阻力效应． 量纲分析表明,双电层阻力大小可以用一个无量纲的电阻力数表示．它与液体的介电系数、固体表面的zeta电位平方成正比,与液体的动力粘性系数、电导率以及微通道的宽度平方成反比．在计算流动诱导的流动电位势和电阻力时,提出电流密度平衡条件,可以消除传统电流平衡条件导致的固壁附近产生局部回流的不合理物理现象．还给出不同电阻力数的微通道流量、流量损失率、速度剖面的数值结果,合理解释了双电层对微通道液体流动的阻力效应．     

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．     

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.     

微通道内电渗压力混合驱动幂律流体流动模拟

为了研究微通道内电渗压力混合驱动幂律流体的流动特性,建立了微通道内电渗压力混合驱动幂律流体的计算模型,其双电层电势、流体的流场分布分别由Poisson-Boltzmann(P-B)方程和Navier-Stokes(N-S)方程描述.讨论了无量纲Debye(德拜)参数K、壁面ζ*电势和幂律指数n对流体流动特性和Poiseuille数的影响.结果表明,当压力梯度与外加电场方向一致(Γ0)时,剪切变稀流体的速度大于剪切变稠流体;压力梯度与外加电场方向相反(Γ0)时,结果相反.Poiseuille数是无量纲Debye常数K、壁面ζ*电势和幂律指数n的增函数.     

新型降压槽结构设计及流动特性分析

针对三元复合驱分注过程中低视粘度损失和高压降不能同时实现的问题,设计出了一种新型降压槽,运用CFD软件对其环空流道的流动特性进行数值模拟,研究了新型降压槽内的压力、速度、湍动能、视粘度和应变率分布情况.同时将其与环形降压槽进行对比,结果表明,相同长度的降压槽,新型降压槽的压差更大,视粘度损失更小.     

双分散多孔介质圆形和圆环形通道内高速流动分析

基于双速度Brinkman-Darcy扩展流动模型,分析了高速流体在双分散多孔介质圆形和圆环形通道内的流动特征.双分散多孔介质裂纹相（f相）和多孔相（p相）流场相互耦合且本质上受四阶微分方程控制.采用正常模式降阶法将原控制方程化简为含两个中间变量的二阶解耦微分方程组,进而方便地推得f相和p相流场的速度分布解析解.不论圆形的还是圆环形的通道,两种结果均表明:两相流场的速度及其速度差随着Darcy数的提高而增大;但随着两相间动量传递程度的加强,两相流场呈现出相反的速度变化趋势,从而导致速度差变小.     

不同纵向涡发生器翅片通道内速度场与温度场协同的数值研究

为了探究加装矩形小翼和三角型小翼纵向涡发生器的H形翅片通道的换热流动,采用场协同理论进行分析.结果表明,相同攻角时,三角形小翼的面平均协同角和体平均协同角要比矩形小翼的大,同时,体平均协同角比面平均协同角要大;随着攻角的增大,面平均协同角和体平均协同角都先减小后增大,矩形小翼在攻角为60°时最小,三角形小翼在45°时最小;相同进口速度时,45°三角形小翼的面平均协同角和体平均协同角要比60°矩形小翼的大,随着进口速度的增加,60°矩形小翼和45°三角形小翼的面平均协同角和体平均协同角都增大.     

等速上仰翼型流动结构的实验研究

本文用流动显示方法细致地观察了等速上仰翼型的非定常流动现象,通过多种布置产生氢气泡鉑丝的方法,清楚地显示出了等速上仰翼型的流动结构。研究了前缘涡、剪切涡和尾部流动结构随着时间的演变及它们之间的相互作用。还研究了转速对流动结构的影响:在不同的转速变化范围内,会出现不同的流动结构。并结合旋涡动力学理论,探讨了翼型上仰过程中高升力产生的原因和动态失速机理。     

混合微通道中不稳定的广义Couette流

在一个平行板通道中,部分充满了均匀的多孔介质,部分为纯流体的流动区,对其微通道中完全发展的不稳定层流进行了数值分析,流动由其中一块板的运动和压力梯度所引起.多孔介质区域的流动,采用扩展的Brinkman模型,即Darcy模型,纯净流动区域的流动,采用Stokes方程.还对稳定的完全发展流进行了理论分析,给出了分界面速度、边界板处的速度和表面摩擦的闭式解.通过数值计算发现,稳定完全发展流的闭式解,和不稳定流动的数值解,在所有时间点上得到很好地吻合.     

圆截面螺旋管道内非定常流动研究

以血液流动为背景,利用双参数摄动法研究了圆截面螺旋管内低频振荡流动,得到问题的二阶摄动解,分析了轴向速度、二次流、壁面剪应力在不同时刻的特点及随时间和Womersley数的变化情况。研究表明:挠率对圆截面曲线管道内低频振荡流动的影响不可忽略,尤其是轴向压力梯度绝对值很小时,挠率将对二次流动结构起主要影响作用。流函数的剧烈变化只发生在正、负数值发生转变的很小的时间段内,大部分时间段内变化平缓。壁面剪应力随θ的变化也很大。     

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．     

广义二阶流体管内轴向流动

在流体的本构关系中引入分数阶导数运算，对于介于粘性与弹性之间的流体的描述更具有合理性。本文将这种关系引入二阶流体，研究其管内轴向流动。我们先求出了１／２阶导数的解析解，用以验证Ｌａｐｌａｃｅ数值反演的ＣＲＵＭＰ方法的有效性。然后用ＣＲＵＭＰ法分析二阶流体管内轴向流动的特征。分析表明粘弹性特征越明显的流体，其速度与应力对分数导数的阶数越具有敏感性。     

电渗驱动微通道流中的扩散

利用差分方法对电渗驱动微通道中的脉冲样品的浓度扩散进行了数值模拟,结果说明外加电场和缓冲液浓度对样品的扩散起着重要的作用,而水力直径及其通道的高宽比对扩散的影响甚微．采用减小外加电场和减小缓冲液浓度的办法,可以防止样品带宽的增大、增强检测和分离的效果,同时又保持比较快的输送速度．该结论对于微通道的优化设计具有参考价值．     

绕振动机翼非定常气动力迟滞特性的模拟研究

利用数值模拟方法开展了机翼在不同条件下,由于俯仰振动引起的非定常气动力迟滞特性的模拟计算研究.根据有限体积方法对非定常欧拉方程进行数值求解,以确定相应问题的流场及气动力特性;同时,分别以具有NACA-0012翼型的矩形机翼和带有65°后掠角的三角翼为例,研究了机翼绕不同转轴或以不同频率振动的非定常气动力迟滞特性.     

T型微通道内液滴在幂律流体中运动机理的格子Boltzmann方法研究北大核心CSCD

采用非Newton不可压两相流格子Boltzmann模型研究了T型微通道内Newton液滴在非Newton幂律流体中的运动过程.研究了非Newton流体幂律指数n、主管道毛细数Ca、两相流量比Q、两相黏度比M以及主管道壁面润湿性θ对液滴在T型微通道内的形成尺寸、形成时间和变形参数(DI)的影响.研究结果表明:首先,主管道流体幂律指数n从0.4增加到1.6时,液滴的形成尺寸近似呈线性减小,而液滴的形成时间和变形参数先快速减小,然后缓慢减小;其次,黏度比对液滴形成尺寸、液滴形成以及变形参数的影响与幂律指数的影响基本一致;再者,随着Ca和主管道壁面润湿性的增加,形成液滴的尺寸近似呈线性减小,形成液滴的时间和变形参数先快速减小然后缓慢减小,且减小趋势随幂律指数的增加而减缓;最后,研究结果还表明主管道和子管道的流量比Q越大,液滴形成时间越长,液滴形成尺寸和变形参数越小.     

异质材料有限长微通道电渗流热效应

采用数值方法,分析有限长PDMS/玻璃微通道电渗流热效应．数值求解双电层的Poisson-Boltzmann方程,液体流动的Navier-Stokes方程和流-固耦合的热输运方程,分析二维微通道电渗流的温度特性．考虑温度变化对流体特性（介电系数、粘度、热和电传导率）的反馈效应．数值结果表明,在通道进口附近有一段热发展长度,这里的流动速度、温度、压强和电场快速变化,然后趋向到一个稳定状态．在高电场和厚芯片的情况下,热发展长度可以占据相当一部分的微通道．电渗流稳定态温度随外加电场和芯片厚度的增加而升高．由于壁面材料的热特性差异,在稳定态时的PDMS壁面温度比玻璃壁面温度高．研究还发现在微通道的纵向和横向截面有温度变化．壁面温升降低双电层电荷密度．微通道纵向温度变化诱发流体压强梯度和改变微通道电场特性．微通道进流温度不改变热稳定态的温度和热发展长度．