湍流热对流中的动力学和传热研究

文章介绍了湍流热对流中流动结构和动力学的实验研究．本文作者通过流动示标和粒子成像测速系统（PIV）的测量，清晰地揭示了对流系统的三维流动结构，发现大尺度环流的角向运动在不同的时间尺度上有不同的表现．通过统计分析，本文作者进一步发现大尺度环流方位角的变化具有布朗棘齿的特性，并且从实验上证明在湍流热对流系统中不同的流动模式的确可以得到不同的传热效率．     

封面说明

封面图为利用热敏液晶技术在对流槽不同高度拍摄到的俯视图.图中颜色由红到绿再到蓝,代表了温度由低到高,通过选用较长的曝光时间(0.77s),拍摄到的图片可以记录下热敏液晶粒子的运动轨迹,由这些轨迹我们可以得到流场的分布.左图为距离对流槽上底板2mm处拍摄到的图片.图中粒子的     

二维槽道湍流拟序结构的大涡模拟

本文采用大涡模拟的方法,对二维槽道湍流流动进行了数值模拟。采用Chorin的分步投影法求解大尺度涡运动的Navier-Stokes方程,小尺度涡采用三种亚格子（SGS）模式分别模拟,给出了不同亚格子涡粘性模式下的模拟结果。对固壁面采用了壁函数。模拟结果再现了二维槽道流动拟序结构的发展演变过程。通过对不同入口速度下的瞬态流场的比较,揭示了入口速度分布对流场的影响。     

湍流热对流近底板流态与温度边界层特性

本文采用湍流热对流的并行直接数值模拟(PDM-DNS),计算了系列Ra数的二维方腔和三维扁方腔的Rayleigh-Bénard热对流.针对平均场计算结果,选取Ra=10~9,10~(10),5×10~(10),讨论了二维方腔和展向平均三维扁方腔热对流流动特性.发现二维方腔和三维扁方腔流动中都存在大尺度环流和角涡,而且随着Ra数的增加,大尺度环流的形状变圆,角涡尺寸变小.在二维方腔流动中,大尺度环流呈椭圆形,有四个角涡,而展向平均三维扁方腔流动中,大尺度环流呈梭形,只有两个角涡.由于角涡特性的不同,二维方腔流动中羽流向上运动的范围比展向平均三维扁方腔流动更广,造成二维流动局部区域温度分布高温层厚度变大.温度边界层厚度λ_θ与Ra数之间存在标度关系,二维方腔和三维扁方腔热对流温度边界层变化的标度指数基本一致,标度关系的系数稍有不同.     

湍流热对流大尺度环流反转时的角涡特性

本文采用DNS方法计算二维方腔Rayleigh–Bénard热对流.在软湍流区热对流场呈现大尺度环流和两个反向转动的角涡,并出现了大尺度环流的反转现象.连续的温度等值线和流线图清晰地描述了反转现象的全过程.在反转过程中,角涡的大小尺度变化起到重要的作用.对角涡大小尺度变化的分析发现,在反转现象中其角涡尺度随时间的变化出现剧烈的振荡,而没有反转现象的热对流场中角涡尺度变化只有小幅的脉动.对反转过程前后的角涡大小尺度、典型位置速度及角点附近温度等流动特性进行了探讨和分析,发现反转是在瞬间完成的,角涡内速度脉动较小、温度较高,反转前角涡尺度与角涡侧壁垂向速度变化具有同步性.     

基于(火积)耗散极值原理的管外流场优化

本文基于(火积)耗散极值原理得到了对流传热的优化场协同方程,用Fluent数值模拟求解层流状态下的管外流动换热的优化流场。得到了管外流动的优化速度场为多纵向涡结构形态,对优化流场进行分析,发现优化流场的综合换热效果远远高于原型流场。通过在管外添加扰流片的方法,来产生带有纵向涡的流场,达到优化管外流动传热的目的。数值模拟结果表明,添加扰流片在一定程度上可以强化管外对流换热。     

闪蒸诱发的两相自然循环比例模化分析

本文提出了可用于非能动安全壳热量导出系统的大尺度开式自然循环系统的小比例模化方法,并对模型系统的运行特性与原型实验结果进行了对比。结果表明:通过本文的模化方法得到的模型系统不仅能很好地反映原型系统的流动现象,还能准确地估算原型系统的流动传热大小和流动不稳定边界;传热管内流体雷诺数对管内对流换热和两相振荡流动影响很大,模化时需保证模型系统传热管内流体的流动状态与原型相同;当根据实际需求对模型中某些结构参数加以限制时,得到的模型仍能较好地模拟原型系统的流动特性,在工程设计上具有一定的可行性。     

可压缩混合层光学传输效应理论分析与实验研究

利用量级分析和风洞实验研究了可压缩混合层流动第二发展阶段气动光学效应的规律性.理论分析主要针对二维大尺度结构存在时视线误差(boresight error,BSE)与混合层流场及其特征参数之间的关系进行了讨论.研究结果表明:在混合层发展的第二阶段,时均BSE与对流马赫数呈现出复杂的非线性关系;同时还发现流场中的湍动能和混合层界面处的雷诺应力分布也是影响时均BSE的重要因素;采用细光束穿越混合层流场的风洞试验结果主要证实了时均BSE与对流马赫数之间的非线性关系.     

旋转圆盘系统过流速度场叠加的研究

本文在对应用PIV技术对具有不同径向流动方向、不同的旋转雷诺数Ren、流量系数Cw和间隙比G的强迫过流的旋转圆盘系统的间隙流动进行实验研究的基础上,通过对实验结果的分析,发现了一个重要的物理现象;带有强迫过流的动静盘系统流场的速度分布,是由零过流旋转圆盘系统流场和具有过流双静止盘系统流场的速度合成.本文对该流动现象进行了数值研究,同时提出了旋转圆盘系统间隙内速度合成分布公式,经和实验结果对比,二者符合较好.对叶轮机械的相关设计具有指导意义.     

湍流热对流Prandtl数效应的数值研究

本文采用直接数值模拟的并行直接求解方法,计算了Ra=10~(10),0.05≤Pr≤20的系列Prandtl(Pr)数二维湍流热对流.通过流动显示技术,讨论了Pr数对羽流形态和大尺度环流结构的影响.在Ra=10~(10)时,随着Pr数减小,羽流的运动和分布表现出更强的湍流性质,较高Pr数的羽流则表现出较强的规律性,当Pr4.3时,流场中存在明显的大尺度环流和角涡结构.不同Pr数的温度边界层厚度差异不大,并随Pr数存在标度率变化关系.当Pr数较低时,系统的传热Nusselt(Nu)数随着Pr数增加而增加,当Pr数较高时,Nu数随Pr数的变化不敏感.靠近底板处速度脉动随Pr数有显著的变化,Pr数越低速度波动越剧烈.通过底板中心位置水平脉动速度和平均场水平速度最大值给出的雷诺数Re_((u))和Re_(U_(max)),两种Re数随Pr数的变化满足同一标度律,为Re～Pr~(-0.81).     

壁面吸气抑制分离减少流动损失的研究

研究了斜流压气机具有大尺度分离的导向叶栅内的流场结构;通过对壁面不同吸气位置与吸气量对流场结构及损失的影响分析,并借助于拓扑分析的手段,探讨了针对于大尺度分离结构条件下吸气点位置的选择原则,总结出了端壁与吸力面吸气位置与分离结构之间的对应关系。     

一幅电力线图──两个不等量的异号点电荷的电场

有两个异号点电荷,所带电荷的量值不相等。在描写这两个点电荷产生的电场时,一些书[1][2]中给出的电力线图大致如图一。一些教师在课堂教学中所绘的电力线图也基本如此。然而这张图有些地方是错的,错误主要在带电数量小的一侧。如图中-q的右侧,特别是水平方向上那条电力线完全画错了。这是因为在不等量的正负点电荷的连线的延长线上,在带电量值小的一侧,总能找到一点P,由计算表明该点的场强为零,即该点不应有电力线通过。在P点附近各点的场强的方向是:P点左面的点的场强向左;P点右面的点的场强向”右;P点下面的点场强向上;P点上面的点的…     

竖平板通道自然对流速度场的测量

一、引言 近年来,随着超大规模集成电路的发展和应用,使得电子设备的冷却问题越来越突出,竖板通道的自然对流换热的研究进一步得到了人们的重视.然而,尽管有许多学者对该问题进行了数值计算与实验研究,由于自然对流的速度小,流场对外界的干扰很敏感,再加上通道几何条件的限制,文献中很少见到通道内速度场的测量结果.现有的许多关     

基于三角波瓣混合器的超声速流场精细结构和掺混特性

在超声速吸气式混合层风洞中,采用基于纳米粒子的平面激光散射(NPLS)技术对平板混合层和三角波瓣混合器诱导的混合层流场精细结构进行了对比实验研究.上下两层来流的实测马赫数分别为1.98和2.84,对流马赫数为0.2.NPLS图像清晰地展示了Kelvin-Helmholtz涡、流向涡、波系结构以及大尺度涡结构的配对合并过程.通过对比分析时间相关的NPLS流场图像,发现了大尺度拟序结构随时间发展演化的非定常特性.基于流动显示结果,采用分形维数和间歇因子指标对流场结构和混合特性进行了定量分析.实验研究表明,三角波瓣混合器诱导的流向涡结构显著提高了上下两层来流的掺混效率,其流动远场的分形维数突破了平板混合层中完全湍流区的分形维数值,达到了1.88,流场结构表现出明显的破碎性,有利于流动在标量层面的扩散和掺混.流动间歇性分析表明,流向涡与展向涡的相互剪切作用主导着混合层的掺混特性,同时由于流向涡的卷吸作用,三角波瓣混合器诱导的混合层混合区域更大,更多的流质被卷入混合区完成混合.     

双半球粗糙元对湍流边界层的影响

采用直接数值模拟的方法,对湍流边界层内加入两个半球粗糙元的流动进行研究,探索加入粗糙元后流场的边界层厚度、速度场、涡量、压力梯度等统计量规律。发现加入粗糙元后,原来的流场结构受到了粗糙元的破坏,层流受到这种强影响而转化为湍流,边界层的厚度在波动中不断增大。半球粗糙元造成了其表面上边界层的分离,并在后方产生了对流场的作用强烈的强雷诺应力区域。     

尾迹流中大尺度涡的三维理论模型

根据流动稳定性理论,在边界层外区大尺度涡理论模型的基础上提出了一种解释尾迹流中大尺度涡产生机理的三维理论模型。采用该模型对NACA0012翼型尾缘后0．1到0．3倍弦长区域的流动进行计算,得出的流场结构及大尺度量的等值线等与实验符合一致,说明该理论模型能够很好地捕捉到尾迹流中大尺度结构的主要特征。该模型的提出为开展尾迹型流动的实验和数值模拟研究提供理论支持,同时为研究尾迹对流动的影响,特别是叶轮机内部的流动前一级叶栅尾迹对下一级叶片边界层的干扰提供了很大的简化。     

剪切力驱动下混合对流问题的介观模拟

本文采用能量守恒耗散粒子动力学(eDPD)方法研究了内含椭圆热源的封闭方腔内的对流换热问题。提出一种处理曲面边界和移动边界的新方法,模拟了剪切力驱动的混合对流换热问题以及椭圆热源被迫旋转引起的混合对流换热问题,分析了剪切力方向、理查森数Ri和椭圆被迫旋转对混合对流换热特性的影响,并且得到了不同条件下的流线图和等温线图。研究结果表明,横向剪切时Ri数对方腔内的传热影响并不显著而纵向剪切时Ri对方腔内的流动与传热的影响非常明显;椭圆热源被迫旋转给流场带来扰动,使等温线发生扭曲,但是整个流场的结构没有发生根本性的改变。     

“绿色”液体激光介质的热流场特性研究北大核心CSCD

选取掺钕四氟化钆钠(Nd3+:NaGdF4)纳米晶分散到二甲基亚砜作为"绿色"液体介质,构建单侧抽运和液体横流系统,使用ANSYS软件对液体介质稳定热流场分布进行模拟分析。结果表明:当流道形状、流动状态、壁面相同时,液体流场分布基本相同,泵浦光的频率对流场分布影响很小;液体介质入口的流速会影响流线分布,流速越快,流线越密;泵浦区域中,介质沿着液体流动方向温度逐渐升高;在液体流向变化小的区域,可获得较为均匀的温度分布。     

不同亚格子模式在后台阶湍流流动大涡模拟中的应用

本文用大涡模拟方法研究了湍流后台阶流场中的大涡演变过程,并在此基础上研究了目前大涡模拟中比较常用的六种亚格子模式。在相同的流动几何参数以及计算条件下,给出了不同亚格子模式下湍流流动瞬时压力场以及流场中瞬时粘性大小的分布,尤其给出了流场瞬时演变的大尺度涡结构。将六种亚格子模式从回流区长度、计算时间、计算结果的准确性和流场稳定性等不同角度进行了比较。为选取合适的亚格子模式深入研究湍流耗散机理奠定了基础。     

对称槽道涡波流场流动特征的POD分析

为深入分析层流状态下对称槽道内涡波流场的流动特性及其变化规律,对流场进行了二维粒子图像测速(2DPIV)测量获取瞬态速度矢量数据,利用本征正交分解(POD)技术进行模态分解以及涡波流场的重构,然后根据重构的流场对对称槽道内涡波流场进行了平均速度剖面、流场脉动强度以及特征点的速度和频谱分布等方面的分析。结果表明:POD的前15阶模态能够表征涡波流场的主导结构,第1,3阶模态主要表现为一对旋向相反的涡对特征,第2阶模态具有涡旋和波状主流的特征;提取了5个涡旋涡核的位置作为流场流动特性的特征点;根据POD重构流场分析发现流向平均速度呈抛物线形状分布,法向平均速度呈对称分布特征;流向脉动强度受壁面的影响较大,法向脉动强度呈现抛物线形状分布;距离中心主流较近的1#,4#,5#特征点的速度脉动程度受主流的脉动强度影响较大,速度的脉动主频0.15 Hz与次频、流场的自然频率0.35 Hz共同影响特征点的速度分布;2#,3#特征点的流向速度呈衰减趋势,法向速度在初期幅度变化较大。