壁面脉动传热对气波制冷性能影响研究

振荡管内气体温度周期性变化,管束壁面会与管内气体进行同频脉动传热作用,对制冷产生一定影响。搭建振荡管静止式气波制冷实验平台,对壁面温度进行测量研究;同时建立非定常流动传热数值模型,对对流换热量进行研究。实验结果表明,管束壁面最终形成一定温度分布,减薄振荡管束外壁面厚度以改变轴向导热面积,会使稳定后的壁面温度分布更陡峭。数值计算表明,冷端壁面与冷气的对流换热会加热冷气,降低制冷深度。将管束壁厚从10 mm降低至5 mm,制冷性能实验结果表明最大制冷深度提升0.2 K（1.6膨胀比）、0.5 K（1.8膨胀比）与0.4 K（2.0膨胀比）,验证了脉动壁面传热对制冷性能的影响。     

含气泡油滴撞击矩形沟槽壁面的数值分析

采用耦合水平集-体积分数（CLSVOF）方法对含气泡油滴撞击矩形沟槽壁面现象进行数值模拟研究,考察了油滴撞击壁面后的形态演化过程,分析了中心射流形成机理和气体夹带的分布规律,并探究了沟槽宽度、沟槽深度和撞击位置对油滴铺展特性的影响。研究表明：含气泡油滴在矩形沟槽壁面铺展时会形成中心射流,沟槽内部存在气体夹带现象。气泡底部的速度旋涡是形成中心射流的主要原因,沟槽内的气体夹带受油滴铺展速度影响呈现规律性分布。沟槽宽度对含气泡油滴在垂直沟槽方向和平行沟槽方向的铺展长度影响较大,但对铺展高度影响较小。当无量纲沟槽宽度为0.3时,油滴形成颈部射流并在运动后期使垂直沟槽方向的铺展长度迅速增加。此外,沟槽深度也对含气泡油滴在各方向的铺展有重要影响,沟槽深度越大,中心射流现象越难形成。撞击位置变化不改变油滴在沟槽壁面上的运动演化过程,但对沟槽内部的气体夹带规律有一定影响。     

含气泡油滴撞击矩形沟槽壁面的数值分析

采用耦合水平集-体积分数(CLSVOF)方法对含气泡油滴撞击矩形沟槽壁面现象进行数值模拟研究,考察了油滴撞击壁面后的形态演化过程,分析了中心射流形成机理和气体夹带的分布规律,并探究了沟槽宽度、沟槽深度和撞击位置对油滴铺展特性的影响。研究表明:含气泡油滴在矩形沟槽壁面铺展时会形成中心射流,沟槽内部存在气体夹带现象。气泡底部的速度旋涡是形成中心射流的主要原因,沟槽内的气体夹带受油滴铺展速度影响呈现规律性分布。沟槽宽度对含气泡油滴在垂直沟槽方向和平行沟槽方向的铺展长度影响较大,但对铺展高度影响较小。当无量纲沟槽宽度为0.3时,油滴形成颈部射流并在运动后期使垂直沟槽方向的铺展长度迅速增加。此外,沟槽深度也对含气泡油滴在各方向的铺展有重要影响,沟槽深度越大,中心射流现象越难形成。撞击位置变化不改变油滴在沟槽壁面上的运动演化过程,但对沟槽内部的气体夹带规律有一定影响。     

提升管内气固两相双组分颗粒流动的离散颗粒硬球模型的模拟

基于离散颗粒(DPM)硬球模型，数值模拟提升管内双组分颗粒气固两相湍流流动行为。应用Vreman的亚格子尺度（SGS）模型模拟气体湍流，建立考虑不同颗粒加速度效应的两颗粒碰撞最小时间计算模型。数值模拟预测了大颗粒和小颗粒的速度和浓度分布。研究结果表明小颗粒具有高的轴向速度和脉动速度，而大颗粒具有低的轴向速度和脉动速度。在床中心区域，小颗粒轴向速度分布出现3个峰值，对于大颗粒轴向速度仅出现两个峰值。在壁面区域大颗粒和小颗粒速度均出现两个峰值。沿床径向方向呈现床中心颗粒浓度低、壁面区域颗粒浓度高的环核流动结果。随着表观气速的增大，颗粒浓度沿径向和床高分布趋于均匀。在床中心区域模拟计算轴向颗粒速度、颗粒浓度和RMS速度与文献实验结果相吻合。在提升管内气体湍流对小颗粒流动具有一定的影响，颗粒间碰撞作用对颗粒相流动的影响大于气相湍流的影响。     

DD分解炉内湍流流场的数值分析

以气体湍流流动微分方程组及k-ε双方程模型为基础,采用Simple算法对DD分解炉内的湍流流场数值模拟,分析了炉内气体运动及湍流脉动规律和特点,并与冷模实验结果进行比较,验证数学模型的可行性,揭示了DD分解炉内部湍流流场的湍流特征.     

PEMFC带沟槽气体扩散层内传输特性孔隙网络模拟

采用三维孔隙网络模型计算了不同沟槽参数下气体扩散层(GDL)的液态水突破压力、毛细压力分布、气体扩散率和液相相对渗透率随饱和度变化，并从孔隙尺度角度探究了沟槽的作用机制。研究结果表明：沟槽改变了GDL的毛细压力分布，提供了液态水直接传输路径并优化了GDL内氧气和液态水的分布，从而提高了氧气有效扩散率。沟槽位置对氧气传输有明显影响，对液相传输的影响取决于是否形成贯穿GDL的传输路径；沟槽加深，氧气和液态水传输性能增强，沟槽穿透GDL时传输性能达到最佳；沟槽变宽，液相传输性能增强，氧气传输性能在低饱和度范围内先增强后减弱。综合各因素，给出了氧气和液态水传输性能最优时的沟槽参数。     

水平圆管内盐析湍流流动特性的实验研究

采用相位多普勒粒子分析仪对圆管内碳酸钠溶液的盐析湍流流动进行了研究. 实验结果表明,随温度的降低,颗粒相的相对数密度及平均粒径值均呈上升趋势,15℃时平均粒径值由30℃时的40 mm增至60 mm以上,表明在过饱和度增加的情况下盐析晶体颗粒不断析出与生长;在相同温度下,液相脉动强度低于颗粒相,在接近壁面处受壁面的影响而减小,但颗粒相却是越接近边壁越大;在盐析流动过程中,湍流具有明显的各向异性;不同温度下两相平均速度沿水平方向基本呈对称分布,且液相平均速度均略大于颗粒相,二者速度差值在主流平均速度值的3%以内,仍可以把这种状态下的流动看成平衡流;同时随温度降低,颗粒相平均速度减小.     

半圆电极对测量壁面处的湍流速度梯度脉动

壁面处湍流速度梯度脉动的测量对于深入了解壁面附近湍流的结构和传热、传质是很重要的.本文叙述了电化学法测量的原理,介绍了用一半圆电极对同时测量壁面上二维湍流速度梯度脉动的方法和测量结果.在直径0.194m的充分发展圆管湍流中,用碘和碘化钾溶液作为流动介质,半圆电极对直径为5×10~-4m,测得壁面处轴向和周向速度梯度的湍流脉动强度分别为0.3—0.33和0.11—0.12.     

鼓泡流化床风室及分布板区域流动特性的数值模拟

采用计算流体力学(CFD)软件对采用切向进风和垂直进风情况下不同开孔率气体分布 板的鼓泡流化床流态化特性进行研究,模拟风室及分布板区域的气体流动轨迹及其速度分布变化.结果表明:气体在切向进风形式下接近层流运动的上升状态,与垂直进风形式所产生的无序湍流上升状态相比,垂直进风形式下气体速度在空间分布更加均匀,受边界条件影响所导致的风室内局部风速过高情况较少;分布板开孔率在0.15％～1.0％变化时,随开孔率增大,气体压降逐渐减小,气体均匀性逐渐稳定;气体分布板开孔率为0.5％时,气体分布均匀性和分布板压降较合理.     

壁面微沟槽与表面活性剂耦合对管道中湍流减阻特性的影响

通过矩形管道压降实验研究了壁面微沟槽和表面活性剂的减阻性能及联合减阻的增益效果,用粒子成像测速仪分析了流场特性。实验所用的微沟槽为3种不同结构的顺流向V形沟槽,表面活性剂为十六烷基三甲基氯化胺(CTAC),水杨酸钠(NaSal)作为补偿离子。结果表明,壁面微沟槽和表面活性剂溶液均有减阻效果,二者耦合后减阻率进一步提升,最高减阻率为48.26%。微沟槽的减阻性能主要作用在近壁区,通过影响边界层平均流速、速度脉动强度和涡结构,减少表面活性剂的湍动能损耗。当超过表面活性剂的临界雷诺数后,沟槽尖端的高剪切力会加剧胶束结构分解。表面活性剂能抑制湍流涡的演变,扩大微沟槽有效减阻的雷诺数范围。     

高速超临界二氧化碳干气密封实际效应影响分析

超临界二氧化碳介质物性的特殊性使得高速超临界二氧化碳干气密封中的多种实际效应突显,忽略这些实际效应可能会给干气密封稳态性能求解带来较大误差。以螺旋槽干气密封为研究对象,推导了考虑惯性项和实际流态的膜压控制方程,采用有限差分法求得膜压分布,对比分析了基于实际修正模型与经典简化模型的高速超临界二氧化碳干气密封气膜刚度和泄漏率,分析了不同介质压力和速度条件下实际气体效应、惯性效应和湍流效应对气膜刚度和泄漏率的影响规律,揭示了三种效应对稳态性能的单独影响及交互影响机理。结果表明：在本文给定条件下,经典简化模型在速度较小时求得的泄漏率偏小,而在超高速时求得的气膜刚度和泄漏率都偏小;在超高速条件下,实际气体效应使气膜刚度和泄漏率都显著增大,湍流效应使气膜刚度增大,而使泄漏率减小,惯性效应对气膜刚度和泄漏率影响很弱;实际气体效应与湍流效应对稳态性能影响之间具有很强的交互影响关系。     

基于湍流模型的S-CO2干气密封流场与稳态性能分析

为探究湍流效应对S-CO₂干气密封性能的影响规律,以螺旋槽干气密封为研究对象,引用考虑离心惯性力效应的湍流Reynolds方程,选择Ng-Pan湍流系数表达式,采用物性软件REFPROP对CO₂真实物性进行计算。之后,根据普适能量方程,通过引入包含湍流效应、离心惯性力效应的平均速度,建立了可压缩流体简化能量方程。通过对湍流Reynolds方程与简化能量方程进行耦合求解,分析讨论了不同工况参数与平均膜厚下湍流效应对密封性能的影响。研究表明：湍流效应使得气膜流场内压力与温度分布发生显著变化,流场计算时不可忽略;在不同进口压力、进口温度下,湍流下的开启力和泄漏率显示出与层流一致的变化趋势;在不同平均膜厚下,考虑湍流效应后的开启力呈现出与层流不同的变化规律,而泄漏率表现出与层流相同的变化趋势;在不同进口压力、进口温度、平均膜厚下,湍流下的开启力和泄漏率均比层流下的低,且在两种流态下的这种差异随着进口压力、进口温度、平均膜厚的增大而逐渐增大;在不同转速下,开启力和泄漏率在湍流下分别表现出与层流不同的变化趋势。这些结果为进一步研究湍流效应对S-CO₂干气密封的影响提供了支撑。     

超临界二氧化碳干气密封相态分布规律与密封性能研究

以超临界二氧化碳干气密封为研究对象，分别以维里方程、Lucas方程描述二氧化碳真实气体效应、黏度的变化，在考虑阻塞流效应的同时，采用有限差分法对考虑离心惯性力效应的Reynolds方程与能量控制方程进行耦合求解，分析讨论了工况参数与槽形结构参数对其相态分布规律与密封性能的影响。研究表明：S-CO₂从密封端面进口至出口的流动过程中，如果工况参数设置合理，将由超临界态逐渐转变为气态，并不会出现液态；较低的进口压力、进口温度以及转速，均会容易导致潜在的凝结流动发生；相比于工况参数对相态分布的影响，槽形参数对相态分布的影响较小，近乎可以忽略；开启力除了随进口温度的升高而减小外，均随进口压力、转速、槽深、螺旋角的增大而增大；泄漏率随进口温度和转速的增大而减小，但其随进口压力、槽深、螺旋角的增大而增大。这些结果为进一步研究超临界二氧化碳干气密封提供了一定的支撑。     

Effects of particle concentration and size on the dissipation rate and turbulent kinetic energy of oil

The presence of particles in oil can change the quasi-sequence structure of the turbulent flow of the oil, and it is extremely important to explore the turbulent energy dissipation rate of the particulate-containing oil and ensure the safe and stable operation of the oil-using equipment. Thus, the flow field of the oil containing particles in the pipeline was experimentally studied by a particle image velocimeter (PIV); the turbulent kinetic energy of the oil was calculated using the transient velocity vector field measured by the PIV; and the dissipation rate distribution was calculated using the large eddy PIV method. The influence of different particle sizes and particle concentrations on the normal distribution of the turbulent kinetic energy and dissipation rate was analyzed. The results show that the distribution of the turbulent kinetic energy in the normal direction is non-unidirectional and in a parabolic shape. The 25 μm particle size has a great influence on the turbulence kinetic energy and the dissipation rate of the oil; with increasing particle concentration, the flow field distribution of the turbulent kinetic energy increases in the region near the wall, and gradually decreases in the central region. The turbulent kinetic energy distribution of the oil is in the shape of a quasi-cosine; the flow field of the dissipation rate is larger in the near-wall region and the central region and shows an inverted ‘W’ shape. This provides a theoretical basis for improving the efficiency of oil transportation, discussing the monitoring of particulate matter in oil, and reducing oil pollution.     

双列螺旋槽液膜密封相变现象及性能

为了探究相变现象对密封性能的影响规律,通过联立N-S方程与质量输运方程,建立了液膜密封相变模型,使用有限体积法对控制方程进行离散,对双列螺旋槽液膜密封相变现象进行了仿真模拟,获得了液膜流线及相态分布并分析了结构参数对相变区域与密封性能的影响。结果表明：液膜发生相变后物性参数发生变化,密封间隙内流场与端面压力分布发生明显改变。内侧螺旋槽可以提供稳定的开启力并保证密封端面处于较好的润滑状态,但同时导致密封泄漏增加。通过减小外侧螺旋槽槽面宽比、槽台宽比、螺旋角、槽深或增大外侧螺旋槽槽数均可降低密封泄漏量,提升密封性能。     

在役涡轮搅拌桨混合过程流热耦合有限元分析

化工搅拌装置内的流体流动伴随着显著的传热过程,由于搅拌流动的复杂性以及温度的分布难以测量,采用试验法具有一定的局限性。利用计算流体力学(CFD)软件,采用标准k-ξ紊流模型,分析了非稳态非等温情况下,涡轮搅拌桨混合过程中搅拌槽中流体的三维紊流流场和温度场的分布。结果表明,大型搅拌反应装置采用搅拌桨通蒸汽加热方式,能够使搅拌槽温度分布更加均匀,热量扩散更加迅速。     

同时考虑实际气体效应和滑移流效应螺旋槽干气密封性能分析

为分析考虑实际气体效应和滑移流效应的螺旋槽干气密封性能,通过维里实际气体状态方程代替理想气体状态方程、有效黏性系数代替动力黏度修正窄槽理论螺旋槽干气密封气膜压力控制方程。以氮气(N₂)、氢气(H₂)、二氧化碳(CO₂)为例,分别计算、对比无滑移理想气体、滑移理想气体、无滑移实际气体、滑移实际气体时螺旋槽干气密封的泄漏率、槽根处压力、端面开启力。结果表明:滑移流效应使气体泄漏率增大、槽根处压力和端面开启力降低;实际气体效应使易受压缩气体(压缩因子Z<1)的泄漏率、槽根压力、端面开启力增大,使不易受压缩气体(压缩因子Z>1)泄漏率、槽根压力、端面开启力减小。随着气体压力增大,滑移流效应逐渐减弱,而实际气体效应增强;低压下滑移流效应起主导作用,高压下实际气体效应起主导作用。     

新型偏心三螺杆挤出机流体混合特性分析

在传统的三螺杆挤出机的基础上,设计了一种新型偏心三螺杆挤出机。该三螺杆挤出机中具有螺杆几何结构偏心、螺槽构型呈梯度变化特殊以及较高的面积利用系数等特征。利用有限元法对聚丙烯（PP）熔体在新型偏心三螺杆挤出机中流动和混合规律进行三维数值模拟,给出偏心三螺杆挤出机中压力和速度分布规律,计算了3种偏心螺杆挤出流场的停留时间分布、分布指数、分离尺度、最大剪切应力等混合表征参数。结果表明,螺杆偏心距不仅决定了螺杆端面形状,也改变了螺槽梯度的变化程度。随着螺槽梯度的逐渐减小,挤出机内粒子团聚效应逐渐降低、物料剪切作用逐渐增强。在3种新型偏心三螺杆挤出机中,偏心距e=3 mm的新型偏心螺杆挤出机的混合性能相对较好。     

连通容器气体爆炸流场的CFD模拟

跟单个容器或管道相比，连通容器内气体爆炸会导致较高的爆炸压力和压力上升速率，以至于很多装置或设备不能承受而造成人员伤亡和财产损失。连通容器内气体爆炸强度增加主要是跟气体流动与燃烧过程有关，研究该类气体爆炸机理就必须从爆炸流场着手。本文利用大型计算流体动力学软件FLUENT对气体爆炸流场进行了数值模拟，获得了气体爆炸流场中温度、压力、速度、密度和燃烧速率随时间的变化规律，模拟结果能够比较清晰地反映出气体爆炸的整个过程。研究表明，连通容器中气体燃烧和流动引起未燃气体的压缩和湍流以及湍流诱导的喷射燃烧是系统中气体爆炸强度增加的主要原因，而管道在湍流诱导的喷射火焰中扮演非常重要的角色。     

轮胎滚动温度场分布研究

分析了轮胎载荷、内压以及速度对轮胎热生成率的影响,计算了195／60HR14轮胎花纹沟底部、胎肩和胎趾3个热点在不同条件下的热生成率。通过对轮胎表面空气流动形态和速度分布的分析建立了轮胎外表面的热边界模型,并采用该模型预报了195／60HR14轮胎的温度场。