有序涡旋对三角槽道脉动流强化传热的影响

以水为工质对三角槽道内单相液体充分发展层流脉动传热特性进行了研究。应用粒子图像测速技术（PIV）测得流场内涡的变化规律,从“涡及涡运动”的角度揭示了“有序”的涡生长及迁移过程对脉动流强化传热的影响。此外,应用“场协同”理论,通过数值模拟深入分析了流场特性与传热之间的关系。研究发现,“有序”的涡生长及迁移过程,破坏了流体边界层,促进了近壁区热流场与速度场的协同,同时,强化了三角槽道内流体与主流区流体的掺混,热量输运能力提升;存在最佳的Strouhal数（St）,使得涡旋既能充分发展又能在较短时间脱落进入主流,实现最大效率的壁面换热;有序涡旋对速度场、温度梯度场以及压力梯度场三者协同性的改善是换热性能提升的关键。     

有序涡旋对三角槽道脉动流强化传热的影响

以水为工质对三角槽道内单相液体充分发展层流脉动传热特性进行了研究。应用粒子图像测速技术(PIV)测得流场内涡的变化规律,从"涡及涡运动"的角度揭示了"有序"的涡生长及迁移过程对脉动流强化传热的影响。此外,应用"场协同"理论,通过数值模拟深入分析了流场特性与传热之间的关系。研究发现,"有序"的涡生长及迁移过程,破坏了流体边界层,促进了近壁区热流场与速度场的协同,同时,强化了三角槽道内流体与主流区流体的掺混,热量输运能力提升;存在最佳的Strouhal数(St),使得涡旋既能充分发展又能在较短时间脱落进入主流,实现最大效率的壁面换热;有序涡旋对速度场、温度梯度场以及压力梯度场三者协同性的改善是换热性能提升的关键。     

板间距对三角槽道脉动流流动阻力的影响

以水为工质对不同板间距的三角槽道脉动流流动阻力特性进行了研究。基于受力平衡方程,建立了适用于三角槽道脉动流压降的数学模型,用于理论分析流动阻力的影响因素。通过实验测试与数值模拟,校验数学模型的合理性,并且对三角槽道脉动流流动阻力进行分析。结果表明,流动阻力主要受板间距、涡旋拟“能”两方面因素影响,且与板间距呈反比,与涡旋拟“能”呈正比;板间距的缩小,会使流动阻力增加,当缩小到板间距与槽深比值为1.0时,出现流动阻力的阶越式增长,上升1个数量级;造成流动阻力骤升的主要原因在于：随着板间距的缩小,流场结构逐渐变化,三角槽道内涡旋的影响区域由“三角槽内部”逐渐转变为“整个流道”,且主流区壁面出现流动分离,出现涡旋流动与波状流共存现象,使流动阻力大幅提升。     

板间距对三角槽道脉动流流动阻力的影响

以水为工质对不同板间距的三角槽道脉动流流动阻力特性进行了研究。基于受力平衡方程,建立了适用于三角槽道脉动流压降的数学模型,用于理论分析流动阻力的影响因素。通过实验测试与数值模拟,校验数学模型的合理性,并且对三角槽道脉动流流动阻力进行分析。结果表明,流动阻力主要受板间距、涡旋拟"能"两方面因素影响,且与板间距呈反比,与涡旋拟"能"呈正比;板间距的缩小,会使流动阻力增加,当缩小到板间距与槽深比值为1.0时,出现流动阻力的阶越式增长,上升1个数量级;造成流动阻力骤升的主要原因在于:随着板间距的缩小,流场结构逐渐变化,三角槽道内涡旋的影响区域由"三角槽内部"逐渐转变为"整个流道",且主流区壁面出现流动分离,出现涡旋流动与波状流共存现象,使流动阻力大幅提升。     

三角槽道低 Reynolds 数脉动流与柔性壁耦合特性研究

以水为工质对三角槽道低 Reynolds 数脉动流与柔性壁耦合特性进行了实验研究。通过传热与流动实验,分析了脉动频率(W)、脉动振幅(A)、柔性壁特性对脉动流传热及流动的影响。同时,通过可视化实验,研究了柔性壁与脉动流之间的响应特性,解析了柔性壁形变与振频对脉动流传热及流动的作用机制及分离贡献。研究结果表明,柔性流道脉动流可以实现强化传热与流动减阻双重效果,但强化传热效果相对较弱(传热效率提升0~50%),适用于以减阻为主要目的的换热场合;柔性壁减阻与削弱强化传热效率,源于柔性壁形变造成时均流通截面积增大(流体流速下降)、W与A的增大减弱脉动能量;W的增加将使得柔性壁振动对脉动流强化传热效率的削减逐步趋于主导地位,而A的增加将使得柔性壁变形对脉动流强化传热效率的削减逐步趋于主导地位;脉动流阻力的削减主要来自于柔性壁的变形(D₁>70%),而柔性壁振频对于脉动流能量耗散的抑制作用较为次要。     

基于希尔伯特-黄变换的撞击流混合器浓度场特性分析

为了深入了解撞击流混合器浓度信号的能量分布及流型变化,利用平面激光诱导荧光(PLIF)测量技术对撞击流混合器内的浓度场进行测量,应用Hilbert-Huang变换(HHT)理论,对撞击流混合器内的浓度场进行分析。由希尔伯特谱分析(HSA)确定了撞击流混合器浓度信号的能量分布状况,得到了流体粒子运动产生的能量集中在低频率区,涡团整体运动能量大且稳定;在大频率下,单个粒子的振荡运动为主要运动形式,并比较了不同的喷嘴直径和喷嘴间距对撞击效果的不同影响。通过对浓度信号各阶IMF(内禀模态函数)的能量特征值提取,由高、低频段的能量变化可以验证撞击流的运动原理,并将撞击流混合器内流场由上至下分为撞击中心区、涡旋区和回流区三部分。流体流量的增加使撞击流混合器内部反应的混合效果有显著提高。     

双层撞击流混合器浓度时间序列的多重分形分析

利用平面激光诱导荧光技术(PLIF)对双层撞击流混合器的浓度场进行了实验测量,获得了不同径向位置处的浓度时间序列,通过多重分形去趋势波动方法(MF-DFA)研究了浓度时间序列中的多重分形特性,得到不同喷嘴间距和射流雷诺数下的多重分形谱,实现了流场特性的定量表征。结果表明,随着喷嘴间距增大,浓度时间序列的奇异性减弱,随着射流雷诺数增大,浓度时间序列的奇异性增强,喷嘴间距对浓度时间序列奇异性的影响比射流雷诺数更为显著。浓度信号的奇异性越强,流体粒子脉动越剧烈,混合效果越强,喷嘴间距对混合的促进作用大于射流雷诺数。通过分析多重分形谱参数(Δα, αmin, α0)随径向位置的变化规律得出了流型的转变区域,并将双层撞击流混合器由撞击中心处向下分为二次撞击区、涡旋区、一次撞击区。浓度信号的奇异性二次撞击区>一次撞击区>涡旋区,对混合的促进作用二次撞击区>一次撞击区>涡旋区。研究结果为更深入地揭示撞击流混合器内部流动模式和撞击流复杂无序的流动机理提供了理论依据。     

浸没式撞击流反应器流场涡特性的数值研究

利用大涡模拟（LES）方法研究了撞击流反应器内流场涡特性,分析撞击区域流体流动特征。改变进口速度、喷嘴间距,讨论流场速度、涡量和平面涡能量分布规律,并分析了流场流型、涡演化过程和涡核形式。在反应器内靠近撞击驻点的涡尺寸小、脉动性高,随着撞击距离的增加,流体速度逐渐减小,涡影响范围变大。平均涡量和平均涡能量随进口速度的增加,先增加后减小。结合Q判据分析了反应器内涡的演化过程和流体流型。根据径向射流涡的演变过程,得到径向射流两侧涡演化的周期,在0.15~0.20 s之间。撞击区的涡结构主要为马蹄涡和肋状涡,在出口位置存在涡环。研究结果为深入分析撞击流反应器流体运动规律和优化反应器提供了理论参考。     

浸没式撞击流反应器流场涡特性的数值研究

利用大涡模拟（LES）方法研究了撞击流反应器内流场涡特性,分析撞击区域流体流动特征。改变进口速度、喷嘴间距,讨论流场速度、涡量和平面涡能量分布规律,并分析了流场流型、涡演化过程和涡核形式。在反应器内靠近撞击驻点的涡尺寸小、脉动性高,随着撞击距离的增加,流体速度逐渐减小,涡影响范围变大。平均涡量和平均涡能量随进口速度的增加,先增加后减小。结合Q判据分析了反应器内涡的演化过程和流体流型。根据径向射流涡的演变过程,得到径向射流两侧涡演化的周期,在0.15~0.20 s之间。撞击区的涡结构主要为马蹄涡和肋状涡,在出口位置存在涡环。研究结果为深入分析撞击流反应器流体运动规律和优化反应器提供了理论参考。     

三分螺旋折流板换热器内二次流分布与强化传热关系分析

通过对倾斜角35°首尾相连的三分螺旋折流板换热器的数值模拟,展示了其壳侧通道内流体在典型切面上的流场和流线分布,以及典型切面上典型直线的流动和换热参数分布,并与性能测试结果进行了对比。结果表明,数值模拟结果与实验结果是吻合的。螺旋折流板形成的近似螺旋通道,使换热器壳侧流体受离心力和向心力共同作用形成了迪恩涡二次流,且在每个螺旋周期内都存在;二次流增强了主流区域流体与靠近壁面流体的掺混,使得壳侧典型切面上中心线和折流板外缘直线的轴向速度较大;除主流中心区域外,壳侧流体在二次流的作用下具有均匀的湍流动能;二次流所在区域内,壳侧同心柱面内典型直线上换热系数相差不大,但由于二次流能使其附近区域传热面上的流体得到不断卷吸掺混,由此强化传热。     

物质流、能量流与信息流协同的初探

任何一个系统（生态的、自然的、生产过程、社会的、市场的）在其内部各个环节之间及与外部环境之间都在不断地进行着物质、能量和信息的交换,在时间和空间上形成物质流、能量流和信息流.本文主要根据协同学原理,描述物质流、能量流和信息流是如何相互影响和相互依存的,并进一步指出通过对物质流、能量流与信息流协同的研究,可以实现三者之间的协调配合,以在时间和空间上形成一种最佳的有序结构.     

基于框架设计的液流电池流场优化模拟研究

液流电池通常采用对角平推流流场,会形成电解液滞留区,造成电池局部浓差极化大,影响综合性能。鉴于此,提出了一种基于框架设计的流场优化方法,通过设计电极框架,可以得到“蛇形流道”和“平行流道”两类流场。以全钒液流电池为例,通过数学建模,研究了不同流场结构和参数对于多孔电极内电解液流动特性、电化学反应和温度变化特性的影响规律。计算结果与实验结果一致性良好,结果表明：电解液在“平行流场”内的流动均匀性比在“蛇形流场”内好,且不存在滞留区,同时在“平行流场”内浓差极化也较“蛇形流场”低;此外,对于同样的电极面积,在电极内部的“平行流道”越多,电解液的流速分布越均匀,反应特性越好。     

全混流反应器内流动规律模拟研究

研究了一种接近全混流的小型气固相反应器,可以用于在实验室研究时需要实现全混流接触状态的气固相反应的研究.采用计算流体力学软件(CFD)进行模拟得到最优结构,其结构包括1个圆锥形反应器主体,4个连接在反应器主体底部的进料口,1个连接在反应器主体上部的出料口.气体从4个进料口进入,催化剂在流动过程中从中部掉落,形成气体水平...     

Measurements of flow characteristics in a confined vortex flow

A study of air flow patterns by hot-wire anemometry is reported for a vortex chamber consisting of an upper cylindrical section 122 cm in diameter and 61 cm high and a conical bottom section 122 cm high. Quantitative data are presented for flow angles, profiles of mean tangential and axial velocities, and radial distributions of tangential and axial intensities of turbulence as a function of air entrance velocities of 1.6, 2.4 and 3.2 m/s, and axial distance from the top of the chamber. In general, the quantitative results confirm the theoretical predictions and the experimental trends reported in the literature. In particular, they fully support the conclusion that the flow pattern is relatively insensitive to the entrance volumetric flow rate. A generalized correlation is presented for the axial velocity distribution. Preliminary correlations are also presented for the tangential velocity distributions in the core and in the annular region of the vortex near the wall. These were found to be functions of the axial location and of the air entrance velocity.     

Film flow down a fibre at moderate flow rates

We consider axisymmetric fluid flow down the exterior of a rigid straight vertical cylinder and model the emergence and propagation of the finite-amplitude waves that are created at the free surface. A system of evolution equations for the film thickness and volumetric flow rate, that was first derived by Trifonov [1992. Steady-state travelling waves on the surface of a viscous liquid film falling down on vertical wires and tubes. A.I.Ch.E. Journal 38, 821-834] has been re-formulated as an extension of the classical falling film problem. To inspire confidence in the predictions of this model, its linear stability characteristics versus those of the full Navier-Stokes equations are examined yielding very good agreement. Travelling wave solutions are determined and analysed in detail over a wide range of system parameters. The solutions resemble those associated with film for sufficiently small film thickness to fibre radius ratios, and beads when these ratios are relatively large. Transient computations are also performed for comparison with the travelling wave solutions and demonstrate the selection mechanism leading to the development of so-called ‘dominating’ waves for comparison with experimental observations.     

Prediction of flow patterns in horizontal two-phase pipe flow

A new concept of a sequence of plots is used for the separation of flow regimes in two-phase flow. The empirical correlations themselves are based on extensive tabulations of flow-type data from the AGA-API Data Bank. Provided these data and the tabulations are accurate, the accuracy of the proposed method is better than 5%. The accuracy for any separation can easily be obtained from the information given. The probability of being able to separate flow types by the various correlations was determined and used to select the best correlations. In actual use, there will be times when a complete separation cannot be made. However, one will know this and be able to say that the flow is one of two or, rarely, more types.     

Heat transfer and flow pattern in vertical liquid-solids flow

Wall-to-bed heat transfer in hydraulic transport of spherical glass particles of diameter 1.20, 1.94 and 2.98 mm and in single-phase flow regime was studied. Experiments were performed by transporting the spherical glass particles with water in a 25.4 mm I.D. copper tube equipped with a steam jacket.In the runs without particles, the tube Reynolds number varied between 2280 and 21,300, while in hydraulic transport runs, the tube Reynolds number varied between 3300 and 20,150. The loading ratio (G_p/G_f) was between 0.07 and 0.328, and the fluid superficial velocity was between 0.29·U_t and 2.86·U_t, where U_t represents the single particle terminal velocity. For these ratios, the voidage ranged from 0.715 to 0.895.The data for the heat transfer factor (j_H) in single-phase flow are correlated using a general form j_H=f(Re). The data for wall-to-bed heat transfer in the hydraulic transport of particles show that an analogy between heat and momentum transfer exists. The data were correlated by treating the flowing fluid-particle suspension as a pseudofluid, by introducing a modified suspension-wall friction coefficient (f_w) and a modified Reynolds number (Re_m).     

旋流在气流床气化炉中的应用

在气流床气化炉内高温高压的环境下,气固混合是影响气化炉效率的重要因素,而旋流在强化气固混合方面已在燃烧中得到广泛使用,文中综述了旋流在气流床气化炉中的应用。首先介绍了旋流的数学描述,包括旋流的概念,旋流N-S方程的表示方法以及其解析解,旋流的解析解均是在一定假设前提下得到的,具有一定的局限性;其次,介绍了旋流的特性和生成方式,主要通过切向入口、旋流叶片和机械旋转引入旋流;然后介绍了旋流在气化炉中的应用,包括喷嘴旋流和炉膛旋流2种,并结合具体结构展示了旋流的作用,主要有增强混合和便于排渣;最后对旋流在气化炉中的应用进行了总结和展望。     

Modeling of flow dynamics in laminar aerosol flow tubes

Flow behaviour in laminar aerosol flow tubes was investigated using a Computational Fluid Dynamics (CFD) model. Since these flow tubes are typically operated at low gas velocity, even small temperature gradients produce convection currents strong enough to interfere with laminar flow. This results in recirculation, causing the residence times of aerosol particles to be poorly defined. The situation is exacerbated when temperature inversions are present, or when the flow direction and temperature are changed simultaneously. We analyzed several characteristic flow tube configurations to define the range of experimental conditions that will ensure a laminar flow profile with minimal recirculation. For a laminar flow situation, we evaluated the extent of diffusion-controlled exchange between aerosol and the flow tube wall.     

脉动条件下旋流场内气液两相流流型及其转变机理

运用高速摄像技术对流量脉动条件下旋流分离器内气泡动力学行为及气液两相流流型展开研究。研究发现,在完整脉动周期内,流量在3.62~4.18 m³/h范围内波动,流量增大段的气核整体向溢流口方向运移,流量减小段的气核整体向底流口方向运移,气核大小及形态变化呈现周期往复性。通过脉动周期内特殊帧的分析,得出流量脉动条件下旋流场内气液两相流流型主要包括：气泡流、塞状流、弹状流、丝状流及波状流等五种形式。根据实验得出的气液两相折算速度,确定了脉动条件下气液两相流流型转换界限图,而气泡间的聚并破碎行为是产生气液两相流型的主要原因,最终构建了表征截面含气量和分离效率之间关系的评价模型。