驻留式微气泡阵列流动减阻机理数值研究

为了完善驻留式微气泡阵列减阻的机理理论,基于有限体积方法,采用大涡模拟（LES）方法对平板及驻留微气泡阵列近壁面复杂湍流流动开展数值模拟研究,采用本征正交分解法(POD)提取2种模型近壁区湍流拟序结构进行对比分析.结果表明：相较于平板,驻留微气泡阵列近壁面切应力变化更加平稳,减小了约13.7%;微气泡气/水界面的动态形变使边界层间歇性流动分离再附着,抑制低速流体上抛、高速流体下扫形成的“猝发”现象,湍流相干结构“猝发”频率减小5.6 Hz.利用POD方法,能够有效地提取近壁面复杂湍流拟序结构的主要分布特征,微气泡的存在加强了湍流近壁区内的小尺度结构,促进流场内湍流动能的均匀分布,抑制了拟序结构的发展,体现了驻留微气泡良好的减阻特性.     

CTAB表面活性剂水溶液的减阻特性

为探讨表面活性剂CTAB作为一种减阻剂使用的可行性,使用5 mm圆管研究了CTAB水溶液的粘度流变特性及减阻特性。结果表明,C16TABr/NaSal水溶液属于非牛顿流体,“SIS”和剪切稀化现象明显;表面活性剂质量分数分别为1.0×10-4,2.0×10-4,3.5×10-4,5.0×10-4的C16TABr/NaSal水溶液的临界雷诺数以及最大减阻率分别为4 800,6 100,8 900,13 500和56%,58%,63%,68%,与牛顿流体相比层流范围扩大。     

基于剪切稀化模型的三通减阻数值模拟

为了研究添加表面活性剂在供热管道局部构件处的减阻效果,选取三通构件模型,利用计算流体力学软件模拟管内不同雷诺数下纯水和CTAC/NaSal溶液的流动。通过网格无关性、对比减阻规律验证了Carreau-Bird模型的可靠性,着重分析了减阻率、流速分布和湍动能的变化,并采用Ω准则和Q准则分析三通涡结构变化。结果表明：三通中添加CTAC溶液,减阻效果小于直管,但在较小雷诺数下就达到减阻率最大值;添加CTAC溶液改变了三通内流速分布,会使管内低速流动区域减小,而高速流动区域增大,出口段湍流流动层流化;降低了壁面附近的涡量,但增加了涡旋中心区的涡量。     

多孔仿生射流表面减阻特性数值模拟

利用RNGk-ε湍流模型对流体在多孔仿生射流表面上的流动特性进行了数值模拟。结果表明:减阻率和流速比呈线性关系,流速比越大减阻效果越好,最大减阻率为59.02%;单孔射流表面中心线上的摩擦阻力系数先减小后增大,局部减阻率最大为111.8%;射流孔越多,减阻效果越好。探讨了仿生射流表面减阻机理:射流通过改变其表面附近的流场结构,使得边界层黏性底层的厚度增加,垂直于壁面的法向速度梯度减小,达到了显著的减阻效果;同时产生稳定的流向涡结构,并在壁面处形成小的二次涡,抑制了流体间的动量交换,减小了摩擦阻力。     

基于LES模拟的微沟槽湍流减阻特性数值研究

湍流减阻对于能源工程领域的节能减排有着重要的意义,沟槽减阻则是其重要方法之一.为研究高雷诺数下沟槽减阻的适用性及其减阻特性,利用大涡模拟(LES)对光滑平板和微米尺度半圆形沟槽结构表面的高雷诺数湍流进行了数值计算,并分析了涡结构分布及其减阻能力.半圆形沟槽既能锁住沟槽谷内流体,使得沟槽上方产生流动滑移,同时通过沟槽尖峰结构,阻碍了涡的展向运动,从而达到了减阻效果.计算结果表明,在沟槽结构尺寸固定的情况下,需在合适的雷诺数下,才可出现减阻效果.在s+等于15左右时,减阻效果最佳,减阻率可达到19.11％.本文研究结果可为微沟槽湍流减阻的工程计算提供重要参考,对湍流减阻结构设计提供依据.     

淀粉酶催化反应的最适温度的微量量热法

用热活性检测仪测定了淀粉在低温淀粉酶催化作用下、不同温度时催化反应的热功率－时间曲线,用热动力学理论和对比进度法对曲线进行处理,得到了酶催化反应的米凯利斯常数（Michoelis）(Km)和最大速率（Vmax）,用计算机处理得到了Km－T的关系式Km＝2×10^-7T³-1.9×10^-4T²+6.284×10^-2T-6.746,进而求出了酶催化反应的最适温度T＝313.53K.     

天然气管道肋条减阻数值分析

随着清洁能源的广泛应用,提高输气管道的输送效率成为热点问题,其中降低管输过程中的摩擦阻力至关重要。为探究三角形肋条在输气管道减阻中的应用效果,利用ANSYS?FLUENT软件对光滑管道和肋条管道中的湍流流动进行了数值模拟。结果表明,在近壁区域,肋条管道与光滑管道的速度剖面相差较大,主流区域相差较小,肋条结构的减阻效果主要基于近壁面;肋条结构将漩涡推离壁面,使肋底充满低速流体,降低近壁面处动量交换,减小摩擦阻力;与光滑壁面相比,尺寸为s＝h＝0.516 5 mm的肋条具有4.38%的减阻效果。     

减阻沟槽表面对湍流边界层高阶矩特性的影响

以光滑平板及间隔V型减阻沟槽面为研究对象,利用二维LDV系统获得光滑平板及沟槽板上部区域湍流边界层流场的流动参数。通过象限分析法深入研究减阻沟槽表面湍流边界层中雷诺切应力的变化情况,着重考察沟槽面对湍流边界层高阶统计参数的影响,并将高阶统计参量同湍流边界层相干运动规律结合起来,由此来探讨沟槽面与湍流边界层之间的相互作用规律。结果表明,沟槽的存在抑制了整个近壁区低速条带的喷射运动,降低了y+<15区域内高速流体的下扫强度;雷诺切应力以及湍动能的法向输运主要是由喷射和下扫这两种运动来完成的,沟槽的存在削弱了雷诺切应力及湍动能的法向输运水平;沟槽的存在减小了y+<13区域内的流向速度脉动的偏斜因子与y+<3区域内流向速度脉动的平坦因子。     

POD Analysis and Low-Dimensional Model Based on POD-Galerkin for Two-Dimensional Rayleigh-Bénard Convection

基于伽辽金投影的Rayleigh-Bénard 热对流POD低阶模型构建及流动POD分析

马行行¹,郑鑫^2,3,王悦¹,程建平¹,张红娜¹,蔡伟华¹

（1. 哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院,哈尔滨 150001;

2. 哈尔滨工业大学 市政环境工程学院,哈尔滨 150001;

3.里昂第一大学,维勒班,法国）

创新点说明：

1）Rayleigh-Bénard热对流的直接数值模拟及其速度场和温度场的POD分析

发现在较大Ra下,流动为准周期流动,腔体中形成一个大尺度环流。POD分析进一步指出,Rayleigh-Bénard热对流的拟序结构同样是大尺度的环流,随着基函数能量含量的减小,POD基函数的涡尺度越来越小。

2）高Ra下的流动-传热问题的低阶模型建立

低阶模型通常用来预测流动,在传热流动耦合计算方面的应用较少。同时,随着Ra的增加,流动的湍流度增强,需要更多的基函数才能较好地体现原始流动的典型特征,低阶模型的建立较为困难。本文实现了高Ra下流动-传热的低阶模型构建

3）Rayleigh-Bénard热对流系统相空间演化特性的研究

通过对比不同基函数下的低阶动力学模型的相空间演化特性,发现随着基函数个数的增加,低阶模型的预测精度更高。

研究目的：

Rayleigh-Bénard热对流是地球物理及工程应用中众多对流问题抽象出来的最简单的物理模型。实现该问题的快速计算及预测在天气预报等方面有重要意义,本文基于此研究背景,利用POD低阶模型研究Rayleigh-Bénard热对流的快速数值算法,目的在于保证精度的前提下,最大可能的缩短计算时间。

研究方法：

首先通过基于OpenFOAM软件直接数值模拟Rayleigh-Bénard热对流,求解得到Ra=10⁷下的速度场及温度场,利用POD分析方法求解数据库对应的基函数（模态）。通过伽辽金投影构建原系统的低阶动力学模型,通过比较低阶模型和原系统的相空间曲线,指出影响POD低阶模型计算精度的因素,在此基础上完善低阶模型,实现高效的计算。

结果：

通过对Rayleigh-Bénard热对流的直接数值模拟结果分析发现,在此Ra下,流动呈现准周期特性并且腔体中形成类似椭圆的大尺度环流。对POD的分析结果表明,该流动的拟序结构同样具有大尺度环流的特性,随着基函数所含能量的减小,基函数的流动尺度也相应减小。对于低阶模型研究发现,低阶模型相对于直接数值模拟的精度随着时间的增加而增加,这和许多研究者所得到的结论相同,同时,利用更多的基函数,计算精度也会提高,但相应的计算时间也会增加。所以,选取较小数量的基函数构建低阶模型并考虑截断基函数的影响的研究-关于closure model的研究非常有必要,这将是我们下一步的工作。

结论：

本文研究了Ra=10⁷下Rayleigh-Bénard热对流的流动特性,速度场及温度场POD分析,以及基于POD基函数的低阶动力学模型。主要结论如下：

1）直接数值模拟结果表明,在该Ra下,腔体中的流动呈湍流态,流动为准周期流动并可以观察到明显的大尺度环流。

2）对流场POD分析结果表明,随着基函数能量的减小,流动尺度也减小,同时,基函数也表现出大尺度环流的特性。

3）对低阶动力学模型的计算结果表明,随着选取基函数个数的增加,低阶模型的计算精度提高,同时计算时间增加。低阶模型的计算结果误差随着时间的增加而增加。

4）Rayleigh-Bénard热对流POD基函数的相空间具有准周期特性,谱系数的演化特性具有类似于正弦曲线的特性。

关键词：Rayleigh-Bénard 热对流,本征正交分解,低阶模型,直接数值模拟

     

表面活性剂减阻水溶液在紊流边界层中的流动结构

为揭示表面活性剂减阻水溶液在边界层中的减阻力学特性,使用二维激光多普勒测速仪（LDV）对十六烷基三甲基溴化铵和伴随盐水杨酸钠的减阻水溶液在零压梯度紊流平板边界层中的流动结构进行实验研究。结果发现,与水流相比,减阻水溶液的主流方向脉动强度峰值出现位置远离壁面,在靠近边界层中部,出现第二峰值,并处于非“剪切诱导状态（SIS）”;雷诺应力的象限构成中,上喷流（Ejection）和下扫流（Sweep）的贡献明显被抑制以致使雷诺应力沿整个边界层内部基本为零;在主流速度脉动能谱中,低频运动强度大于水流,而高频运动强度低于水流。结果说明表面活性剂减阻水溶液具有降低紊流脉动各个成分相关度、提高流动结构尺度的作用。     

Drag-reducing characteristics of cationic surfactant solution flow in copper pipe

The drag-reducing characteristics of a cationic surfactant solution flow in copper pipe have been investigated experimentally.The tested drag-reducing fluid was an aqueous solution of the cationic surfactant cetyltrimethyl ammonium chloride(CTAC).The experimental results show that the maximum drag reduction percentage reduces with the increase of fluid temperature at low concentration of CTAC,such as 100×10-6 or 150×10-6.Furthermore,the concentration and temperature changes of CTAC solution have significant influences on the drag-reducing ability.The drag-reducing effect of CTAC additives shows great potentials in the application in a district heating/cooling(DHC)system,especially for the radiant floor heating(RFH)system.     

十六烷基三甲基氯化铵减阻流动实验

为了分析湍流减阻技术的可行性,探索减阻效果与溶液温度、浓度和流动雷诺数的关系及减阻水溶液的抗剪切特性,对阳离子表面活性剂十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)水溶液进行减阻实验．结果表明,CTAC水溶液具有较强的抗剪切能力,但在高温条件下(70 ℃)减阻现象消失．CTAC水溶液减阻技术应用在集中供热／供冷系统中,尤其在地板辐射采暖系统中是可行的．     

表面活性剂水溶液的减阻机理分析

为探讨表面活性剂水溶液的减阻机理,介绍了表面活性剂减阻特点,评述各减阻机理假说,提出确保入口段长度,对基于PIV及LDV流场测试技术揭示表面活性剂减阻水溶液流的紊流结构和水动力学机理的重要性,指出准确测定剪切诱导状态的形成时间和松弛时间对确定形成充分发展紊流所需入口段距离的必要性。     

减阻剂溶液的传递机理

本文通过对前人所提出“的各种减阻机理假说进行分析后，从湍流机理和结构着手，把传统的Ｄａｎｃｋｗｅｒｔｓ［１－２］传质表面更新理论和湍流随机理论［３］结合起来，探讨减阻剂分子对湍流流动的作用机理。根据本文假说──表面随机更新假说，可以成功地解释纯溶剂中加入减阻剂后所产生的各种现象：对层流流动不起减阻作用；对于湍流流动，三传系数均减小，但减小的百分率不同；传统类比式已不再适用于减阻流动；不同的减阻剂作用效果不同。     

活性剂对水下航行体减阻特性的影响

为减小水下航行体的阻力,研究通活性剂溶液的水下航行体湍流减阻的流动特性.通过从航行体头部向航行体边界通活性剂溶液的方法,分别对不同质量浓度和不同速度情况进行减阻实验研究,并分析了不同攻角下活性剂溶液对阻力和升力的影响.实验中活性剂溶液质量浓度分别为200、400、600、800和1 000 mg/L,流速为4~10 m/s,对比分析了阻力系数.实验结果表明:在活性剂溶液质量浓度为200 mg/L时航行体减阻效果较弱,当活性剂溶液质量浓度增加到1 000 mg/L时,减阻百分比高达40.8%;在活性剂质量浓度为1 000 mg/L时,当水流速度从4 m/s逐渐增大到10 m/s,减阻百分比在12.5%和40.8%之间变化;活性剂对有攻角的航行体仍然有减阻效果并且对升力产生较小影响.     

粘弹性流体旋转流实验研究

利用粒子图像测速仪(PIV)对圆筒形容器内有自由表面变形的粘弹性流体旋转流动进行了实验研究.旋转流动由等速旋转的容器底面来驱动.实验工质为CTAC(十六烷基三甲基氯化铵界面活性剂)水溶液.测量了水、40×10-6、60×10-6和200×10-6CTAC水溶液在弗鲁德数为2.59至16.3范围内的旋转流动.PIV用来测量子午面内的二次流场,并从PIV图像中抽取自由面高度.结果表明在相似的弗鲁德数下,相比于水流CTAC水溶液旋转流动自由表面中心处的凹陷深度降低,随着溶液浓度或粘弹性升高,子午面内右上角的惯性涡被压缩且强度变得越来越弱.通过与水流动比较并做力平衡分析,定量估算了CTAC水溶液的第一正应力差或弱粘弹性.     

Drag reduction of flow boiling with polymer additives

Ｓｏｍｅｓｔｕｄｉｅｓｗｅｒｅｄｏｎｅｏｎｐｏｏｌｂｏｉｌｉｎｇｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｏｆａｄｄｉｔｉｖｅａｑｕｅｏｕｓｓｏｌｕｔｉｏｎ ,ｂｕｔｌｉｔｔｌｅｏｎｆｌｏｗｂｏｉｌｉｎｇ[1 3] .Ｔｈｅｕｓｅｄａｄｄｉｔｉｖｅｓａｒｅｓｕｒｆａｃｔａｎｔａｄｄｉｔｉｖｅｓａｎｄｐｏｌｙｍｅｒａｄｄｉｔｉｖｅｓ[1 4] .Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓｏｎｔｈｅｄｒａｇｒｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆａｄｄｉｔｉｖｅｓａｒｅｕｓｕａｌｌｙｃｏｎ ｃｅｎｔｒａｔｅｄｏｎｓｉｎｇｌｅｐｈａｓｅｆｌｏｗ[5 ] ,ｏｒｒａｔｈｅｒ,…     

Surface tension of lithium bromide aqueous solution/ammonia with additives and nano-particles

In order to investigate the effect of additives and nano-particle on the surface tensions of lithium bromide(Li Br) aqueous solution/ammonia, many experiments were carried out based on Wilhelmy plate method. Firstly, the surface tension of Li Br aqueous solution with 1-octanol was measured and then the comparison between the measured results and previous experimental results was given to verify the measuring accuracy. Some new additives, such as cationic surfactants cetyltrimethyl ammonium chloride(CTAC), and cetyltrimethyl ammonium bromide(CTAB) were chosen in the experiments. The experimental results show that CTAC and CTAB can obviously reduce the surface tension of Li Br aqueous solution/ammonia. In addition, it is found that nano-particles cannot remarkably decrease the surface tension of Li Br aqueous solution/ammonia. However, the mixed addition of additives and nano-particles can remarkably affect the surface tension of Li Br aqueous solution/ammonia. That is to say, additives play more important role in reducing the surface tension of Li Br aqueous solution/ammonia. But nano-particles may enhance the heat transfer in the absorption refrigeration process.     

圆管中聚合物减阻剂的减阻机理研究与评价

滑溜水减阻性能是影响压裂成功的关键因素之一,但其减阻机理尚未明确。通过数值模拟并结合实验研究圆管中聚合物减阻剂减阻机理,以Giesekus本构方程为基础,建立简化的计算流体模型计算湍流管道中聚丙烯酰胺四元共聚物添加剂（DR800）的减阻率。通过室内环路实验对此模型进行参数确认和验证。此模型可用来解释黏性剪切应力、雷诺剪切应力和黏弹性剪切应力等不同组分对摩阻的贡献。结果表明,随着雷诺数增加,黏弹性贡献和黏性贡献降低,而湍流贡献增加;低雷诺数下,黏性剪切应力和黏弹性剪切应力对摩阻贡献最大,而黏弹性贡献可以忽略;高雷诺数下,湍流贡献最大而黏性贡献最少。通过对比模型结果和室内实验结果以及应用现场情况可知,此模型在一定范围内可预测DR800的减阻率,并用于现场生产与指导。