印刷过程中墨辊转速对油墨温度场的影响

为研究印刷过程中墨辊转速对油墨温度场的影响,运用有限元模拟软件Ansys Workbench CFX对油墨温度场进行流体温度场模拟仿真,分析出不同墨辊转速对油墨流场温度的影响,以及壁面油墨和挤压区域油墨温度的变化趋势,并通过油墨印刷适性仪实验平台对模拟仿真分析进行实验验证,使用红外热像仪分别获取不同时刻的油墨温度场整体云图,以及挤压区域油墨温度的实时变化数据.最终通过实验与仿真的对比分析,得出墨辊转速对油墨温度场的影响规律:当两辊压力一定时,墨辊转速对油墨稳态的温度有比较大的影响;在不考虑有新油墨流入与高温油墨流出时,挤压区域油墨温度随着墨辊转速的升高而升高.     

微尺度下速度滑移对油墨流动特性的影响

为了了解微尺度下速度滑移对油墨流动特性的影响,以便提高印刷质量,首先从理论方面分析了速度滑移对流体流动特性的影响.运用专业流体仿真软件FLUENT对微尺度下油墨在墨辊间的流动进行了流体计算模拟,分析了无滑移和有滑移2种情况下油墨在传递过程中流动速度与压力的特性,同时提取墨层有效厚度,并进行对比.通过分析可以得出:当滑移速度与油墨流速方向相同时,随着速度滑移程度的提高,在油墨通道的各个位置处油墨的速度都有增大的趋势,压力有减小的趋势,墨层厚度有变大的趋势;当滑移速度与油墨流速方向相反时,随着滑移程度的增强,油墨的速度有减小的趋势,压力有增大的趋势,墨层厚度有变小的趋势.     

圆形微通的对流换热特性研究

针对圆形微通道内流体的强迫对流问题,利用分离变量法求解了考虑轴向热传导、速度滑移和温度跳跃、粘度耗散和入口效应等因素的圆形微通道的控制方程,给出了流体温度场和努塞尔数的计算表达式。对圆形微通道换热特性进行了数值仿真,结果表明,受尺寸效应的影响,管径越小,平均对流换热系数越大。微通道的换热能力比宏观经典通道强,表明在相同面积上做多个微通道比一个宏观大通道的换热效果好。     

耗散粒子动力学的一种新的固体壁面边界条件

由于耗散粒子动力学（DPD）粒子间是软势作用,很难施加无滑移的固体壁面边界,为此提出一种新的固体壁面边界条件,该方法是通过给壁面粒子赋予相对流体粒子的虚拟速度,但壁面粒子不能移动,虚拟速度用于计算壁面粒子对流体粒子的耗散力,进而增大流体粒子的耗散阻力,实现壁面无滑移条件.利用新的边界模型模拟了微通道内的Poiseuille流动,得到的微通道内的速度分布曲线表明,该模型实现了壁面无滑移条件;得到的密度和温度分布曲线显示,壁面附近密度波动很小,但当壁面粒子密度大于8.0时,壁面附近流体粒子密度波动较大.模拟结果与Navier-Stokes方程理论解吻合很好,进一步验证了新边界的可行性和DPD程序的正确性.     

多孔介质电渗泵的数值仿真与性能分析

电渗驱动微泵是一种新型的电动力式微泵,其输出压强高,流量可调范围宽,可用于微通道冷却系统中。建立了多孔介质电渗泵电渗流的数学模型,并对其性能进行了分析。根据双电层模型与电渗泵的控制方程,得出电渗流的近似解析模型,求出最大流率与压力。利用MEMS数值仿真软件CoventorWare对电渗泵模型进行求解分析,得到电渗泵流场和压力场的分布;对其特性进行分析,研究电场强度、溶液浓度和微流道孔径及其流道长度对电渗泵性能的影响。结果表明,在电渗驱动下,微流道中的流体流动速度与电场强度及微流道表面静电势成正比;流体速度与微通道长度成反比,与孔径无关。     

微通道内湍流流动与换热模型的建立

根据湍流模型的理论基础及适用范围,分析在微尺度条件下,加入湍流黏性耗散的作用。利用连续性方程、动量方程和能量方程,建立雷诺时均化湍流流动模型;依据Prandtl混合长度理论,建立脉动项与时均项的微分方程;确定对流换热Nu数与比热、流体温度、摩擦系数之间的关系,推导其计算公式。     

微通道入口角度对微液滴生成过程的影响

为研究不同流体物性参数条件下微通道入口角度对微液滴生成过程的影响,采用流体体积(volume of fluid,VOF)法对错流微通道内液滴生成过程进行了三维数值模拟,对液滴生成过程中两相压差及液滴生成周期和尺寸进行了研究.结果表明:拉伸挤压流型下,微液滴尺寸随着通道入口角度增大呈现先减小后增大趋势.表面张力较大或连续相黏度较小时,入口角度为90°的微通道有利于生成较短液滴;表面张力较小或连续相黏度较大时,入口角度为120°的微通道有利于生成较短液滴.对于固定的入口角度,微液滴尺寸随着表面张力系数增大而增大,随连续相黏度增大而减小.当流体物性参数不同时,生成最短液滴的通道结构不同.综合考虑通道入口角度、表面张力系数和连续相黏度,提出了预测拉伸挤压流型下量纲一液滴长度的经验关联式,为微液滴系统的设计和应用提供了指导.     

流体黏性对部分充液柔性转子稳定性的影响

研究了部分充有不同黏性流体柔性转子系统的失稳过程、失稳过程中转子系统的动力特性、不稳定区内转子的涡动特性以及流体的黏性和充液量对转子系统动力特性的影响.结果表明对于充有高黏度流体的转子系统,在理论分析时必须采用黏性流体模型.随着流体黏度的增大,转子的不稳定区明显缩小并向低转速方向移动,在不稳定区上边界位置的滞后区明显缩小甚至消失.转子在不稳定区内的涡动频率既不是一个固定的频率,也不是转子系统的某阶固有频率.转子的涡动频率随转速或流体黏度的增大而增大,随充液量的增大而减小.     

交流电渗微泵理论模型与数值仿真

通过交流电渗流的产生机制及对非对称电极交流电渗微泵驱动原理的分析，建立了交流电渗微泵的物理模型和数学模型．根据微通道内电势分布满足Laplace方程，确定了交流电渗微泵微通道内电势及电场分布．并且利用设定的微通道内流场的边界条件，对Navier-Storks方程进行了数值仿真计算，获得了微通道内电渗流流场，分析表明其仿真计算与实验结果具有较好的一致性．从而验证了交流电渗微泵理论模型的正确性，为进一步研究和分析非对称电极交流电渗微泵提供了理论工具和仿真手段．     

基于四种电势波形的互溶流体混合的数值模拟

采用有限元分析方法分别研究了二维微通道中直流信号和四种电势波形的交流信号对不同浓度流体混合效率的影响。分析了直流电和正弦交流电下混合流体的速度分布与浓度分布以及流体混合效率在4种电势波形作用下随频率的变化关系。研究发现:电极板施加直流信号时,微通道中产生的纵向电场力诱导流体产生扰动,发生混合。电极板施加正弦交流信号时,在电极板附近会形成两个旋转方向相反,大小随时间周期性变化的漩涡,使不同流体间的流动不稳定性大大增加,导致混合效果增强。四种电势波形作用下的混合效率均随频率的提高出现先增大后减小的趋势,而且全波作用下的混合效率在各个频率下都最大,在f=5 Hz时最高可达到95. 44%。     

微管内部流动粘性耗散的实验研究与数值模拟

为深入了解微管内部流动及换热机理,对液体在微管内部流动引起的粘性耗散问题进行了理论分析、数值计算和实验验证.以蒸馏水为工质,流过内径为25μm及50μm微光滑石英管,采用非接触式温度测量方法——红外热成像测量液体粘性耗散导致的微管壁面的温度场变化,获得精确的微管外壁温度分布.同时利用SIMPLEC计算方法对其内部流动耗散进行了数值模拟,得到了微管内部流动雷诺数Re和流体温升的关系.实验结果与数值模拟结果相吻合,表明忽略粘性耗散的影响会最终影响微管摩擦系数和Re数的表观实验结果.     

基于流固耦合的两墨辊对滚的研究

为了提高胶印印刷质量,了解油墨传递过程及油墨传递特性,运用流固耦合算法,对油墨传递的初始时刻进行计算模拟.分析了油墨通过2个相互挤压墨辊的过程及在油墨压力与墨辊间压力共同作用下胶辊的变形和墨层有效厚度,得到油墨流动通道及油墨转移率.根据该分析方法,计算出不同条件下油墨的流动通道和油墨转移率,分析两墨辊对滚转速与墨辊间压力对油墨转移率的影响,并讨论了胶辊的运动机理,得出胶辊的运动是由于油墨的黏性力及硬辊对胶辊的推力共同作用的结果.     

两墨辊对滚时油墨流场及油墨转移率变化

为提高印刷品的质量,了解油墨传递过程中油墨的运动,对两墨辊对滚进行了流体计算模拟,分析了墨辊对滚时油墨流场速度和压力的变化.在此基础上,提出了一种计算墨层厚度,得到油墨转移率的方法.根据该计算方法计算出不同条件下的墨层厚度及油墨转移率,分析了两墨辊对滚时的转速、墨辊直径和接触前墨层厚度对油墨流动及油墨转移率的影响.结果表明:油墨转移率随墨辊转速的增加、墨层厚度的增大而增大,随墨辊直径的增大而减小.     

Characteristics of Convection Heat Transfer in Power-Law Fluid Saturated Porous Media Channel

幂律流体饱和多孔介质通道内对流换热特性

田兴旺¹,张琨¹,刘峰¹,王平²,徐士鸣²

（1.大连海洋大学 海洋与土木工程学院,辽宁 大连 116023;2.大连理工大学 能源与动力工程学院,辽宁 大连 116024）

摘 要：

基于Darcy-Brinkman-Forchheimer流动模型和局部非热平衡模型,考虑黏性耗散效应的影响,建立了幂律流体在多孔介质通道内流动传热的一般模型。推导出无量纲速度分布和流、固温度分布的计算表达式,并在恒热流边界条件下,利用经典的四阶Runge-Kutta法进行了自编程序的数值求解。模拟结果表明,无量纲的相间传热系数Bi、有效导热系数比k、达西数Da,布林克曼数Br、综合惯性参数F等表征参数对无量纲流、固温度分布有着较大的影响,同时发现不同幂律指数的流体对流动传热特性也有着重要的影响。

关键词：粘性耗散;幂律流体;多孔介质;局部非热平衡;数值模拟

     

透明土中孔隙流体的实验研究

在透明土配置中,为了选择与熔融石英砂相匹配的孔隙流体,通过实验研究CaBr2溶液、CaCl2·2(H2O)溶液和白矿物油混合物3种孔隙流体.研究孔隙流体折射率随温度和质量分数（或体积比）的变化规律,测定了3种孔隙流体的黏度和平均色散值等物理性质.实验结果表明,3种孔隙流体的折射率均随温度的升高而线性降低,无机盐溶液的折射率与质量分数呈线性关系,质量分数越高,折射率越大,白矿油混合后的折射率与混合体积比有关,可以用Arago-Biot方程描述.黏度以CaCl2·2(H2O)溶液为最大,CaBr2溶液最小.色散值以白矿物油为最小.总结了筛选孔隙流体的一般性原则,认为白矿物油的安全性最好.     

胶印机供墨系统中两墨辊运动的动力学仿真

为研究胶印机供墨系统中两墨辊间的接触力和初始接触碰撞速度对墨辊应力和变形的影响,对硬质墨斗辊和软质传墨辊进行有限元动力学分析仿真。首先,利用UG对摆墨机构进行运动仿真分析得到传墨辊与墨斗辊接触时刻的速度值。然后,联合仿真软件ANSYS Workbench与LS-DYNA对两墨辊的运动进行数值模拟仿真。仿真结果表明：传墨辊的最大等效应力出现在接触区域的边界位置,即中心接触区域的两侧,传墨辊周向区域的等效应力值出现双峰值;初始速度对传墨辊的变形量影响较大,初始接触力对传墨辊上最大等效应力值的影响较大。     

边界数据浸入法在弱可压缩流动中的应用

受限于计算机的计算能力与计算的成本,实际的计算过程中,往往要对流体做出一些物理假设,如无粘流体、不可压缩流体等,但是这将给计算带来不同程度的误差. 为解决此问题,提出了一种对弱可压缩粘性流动问题进行求解的数值方法. 该方法不仅可以对计算域内包含静止固体的流场进行计算,也适用于包含运动固体的弱可压缩粘性流场的求解. 该方法从水的状态方程开始,对弱可压缩粘性流体运动的速度与压力方程进行了严格推导. 考虑到流场中固体的影响,使用边界数据浸入法(Boundary Data Immersion Method, BDIM)将流体子域与固体子域之间耦合,而所使用的BDIM可将流体及水下声学计算中的运动物体准确地表示出来. 因此,本文首次将弱可压缩粘性流动计算与BDIM结合起来,并解决了考虑流体的弱可压缩性与粘性的流场求解问题. 为验证所提方法的有效性及准确性,计算了3个二维经典算例,并将计算结果与采用其他方法所得数据结果进行比较. 对比结果表明,在考虑流体的弱可压缩性与粘性的前提下,本文所提出的新算法可对运动流体中存在静止或运动固体的流场进行准确有效的计算.     

两墨辊对滚过程中相邻墨区间的影响

对两墨辊的对滚转动进行了模拟仿真分析,旨在研究相邻墨区之间的相互作用,以及主动辊的串动对油墨流动特性的影响.为此,以相邻5个墨区进行仿真分析.对中间墨区墨量等于、小于和大于相邻墨区3种情况下墨辊的对滚转动模拟仿真,以对比分析相邻墨区对中间墨区的影响.分析得出,在两墨辊对滚转动的过程中,相邻墨区之间相互作用,使得墨辊上油墨流场的压力、轴向速度、墨层厚度都受到影响.对主动辊有轴向串动时,分析中间墨区的压力、轴向速度、墨层厚度可知,主动辊的串动增大了相邻墨区之间的相互影响.     

基于表观黏度模型的AZ31流变铸轧数值模拟

以AZ31半固态合金为研究对象,应用流体模拟软件Fluent对其铸轧过程进行研究。通过使用简单等温稳态黏度模型、Carreau黏度模型、简单连续冷却黏度模型、黏度不变模型,得到了相应的铸轧温度分布、流场分布以及黏度分布,并进行了比较和分析。结果表明：在特定工况下,为保证出口处的合金刚好凝固而不会造成铸轧不成形或铸轧中断的最佳浇铸温度为880 K,此时Carreau黏度模型最适合AZ31半固态合金的铸轧过程。