微结构表面上流体流动的数值模拟

根据固液界面的复合接触模式,考察了液体在光栅表面上的流动.运用二阶中心差分方法对Navier-Stokes方程进行离散求解,采用了零滑移和零剪切交错边界条件,开发了一个用于计算二维流动参数的计算系统.运用该系统对二维管道进行了模拟,得到了管道内流体的速度分布和压强分布,并计算了管道的减阻情况.计算结果与以往类似结果对比说明了系统的理论基础和实施方案的正确性;计算结果表明,流体在光滑与光栅结构表面构成的管道中的压强分布存在一定差异,光栅结构表面具有一定的减阻性能.最后,通过对不同的表面结构参数进行数值实验,得出了用于减阻衡量的关系式.     

粘度对超疏水固体表面减阻影响的实验研究

为了研究流体粘度对微细结构固体表面减阻特性的影响,用飞秒激光加工技术在光滑K9玻璃表面加工出光栅微细结构,并对光滑K9玻璃和光栅结构K9玻璃表面进行硅烷化处理,用AR-G2流变仪测量了不同粘度甘油溶液在两表面的扭矩与剪切速率,根据推导出的减阻率计算公式,计算出它们各自的减阻率。结果表明:超疏水光栅微结构表面与疏水光滑表面相比具有明显的减阻特性;微细结构固体表面的减阻效果随着流体粘度的增加而显著提高。     

环矩形真空吸浮导轨的仿真研究

基于设计给定的气浮静压垫结构参数,建立流体边界模型,利用流体分析软件进行分析,得出气体的流动轨迹、压强及速度的分布曲线.分析曲线表明:压强分布为在节流孔正对的位置最大,其他方向压强都减小;中间与气腔正对的部分压强最小,到边缘减小为零.气流速度在节流孔正对的区域最小;速度在中间层最大.通过分析可以为优化静压垫的结构、提高导轨刚度和承载能力提供理论依据.     

超疏水表面减阻特性的研究进展

超疏水表面具有减阻效果,在提高管道传输效率、降低水下航行体和微流体器件中流动阻力等方面有着广阔的应用前景。介绍超疏水表面的制备、滑移理论以及减阻特性的研究,讨论微尺度下表面润湿性、表面微结构和流场流动状态对壁面减阻的影响,对超疏水壁面减阻的物理机制进行总结,并指出气体层不连续模型和气穴模型是分别适用于光滑疏水表面和带微结构超疏水表面的减阻模型。介绍超疏水表面减阻特性的一些应用,提出将超疏水表面应用到微流体系统中面临的问题,如微通道壁面疏水性的制备及其减阻效果的耐久性。     

超疏水光栅微结构表面减阻试验研究

为了研究超疏水固体表面的微结构对减阻特性的影响，首先利用飞秒激光加工技术在光滑K9玻璃基面上加工出微脊光栅结构，然后将光滑K9玻璃与光栅结构K9玻璃置于干燥箱内进行硅烷化处理，以降低表面自由能，最后用AR-G2流变仪测量两表面的流变特性，试验用流体为体积分数40%的甘油溶液和水。试验结果表明：两表面均存在明显滑移，即都具有减阻特性，且光栅结构的超疏水表面比光滑结构的疏水表面的减阻效果明显；减阻效果随着流体粘度的增大而增强。     

一种低流阻表面的流动与传热特性

采用数值模拟方法对流体在有圆孔表面的流动及传热特性进行研究。研究中分别对四种不同的工况进行数值模拟。数值模拟结果所得换热面努塞尔数Nu与采用迪图斯—波尔特(Dittus-Boelter)公式计算所得Nu数进行比较,计算误差均小于5%。研究结果表明,在四种工况下,圆孔表面由于圆孔的存在改变其表面附近流动边界层的流动结构,使得边界层内垂直于壁面的法向速度梯度变小,进而使得边界层厚度增加,且由于圆孔表面下方流体可吸收部分来自边界层以外的动量传递,降低壁面附近的湍流扰动,从而减少损耗,达到明显的减阻效果。计算结果显示:四种工况下圆孔表面的存在使得流动均有不同程度的减阻效果,四种工况中减阻效果最大可达14%;但是随着流动减阻效果的改善,圆孔表面的换热性能均有所降低。     

发电厂疏水管道节能改造及阀门结构优化

为解决锅炉疏水浪费的问题,对疏水管道进行节能改造,新增疏水回收旁路管道。通过压强损失计算证实,依靠管道高程差及凝汽器负压可实现流体沿管道顺利流通,无须新增泵输送流体。同时,为解决管道阀门的内漏问题,对调节阀进行结构优化,研发了一种可实现阀门零泄漏的新型抗冲刷调节阀,并应用于新增的疏水旁路管道,提高了调节阀的利用率。疏水管道节能改造和阀门结构优化,降低了机组煤耗,提升了机组设备的安全性和经济性,具有一定的工程参考价值。     

基于FLUENT的管道内壁表面状态对流体摩擦阻力的影响研究

油气长输管道在运行过程中受腐蚀、结垢的影响,管道内壁表面状态会发生显著的变化,进而会引起管道内流场和沿程流体摩擦阻力的变化,目前在这方面的研究比较欠缺。基于计算流体动力学软件FLUENT,数值模拟在腐蚀、结垢条件下管道内壁表面状态发生改变后,管道流体摩擦阻力的变化情况。结果表明:管道结垢后在内壁形成凸起,流通面积减小,沿程摩擦阻力系数变小,单位长度压降和总的能量损失增大;管道腐蚀后在内壁形成凹坑,沿程摩擦阻力系数和单位长度压降均减小,说明形成腐蚀坑后不规则表面可能具有一定的减阻效果,研究可为基于表面纹理的管道减阻提供一定的参考依据。     

仿生非光滑表面管道的设计及有限元分析

仿生非光滑表面的减阻作用由于其在工程中的应用价值而被广泛关注。为了减小油气管道运输摩擦阻力损失，将蚯蚓体表的生物学特征引入管道中，设计了凸包型、凹包型2种非光滑壁面管道。结合理论分析、仿真模拟两种手段研究了仿生管道的高性能机理。通过对比仿生管道与普通管道内流体的流动特性，得到了性能最高的非光滑结构：凸包非光滑内壁管道。该管道相对于普通光滑管道，具有更高的减阻率，运输能量更强，流速更高，可为运输管道仿生减阻的深入分析提供参考。     

非光滑管道壁面减阻性能研究

旨在研究不同非光滑管道壁面流体摩擦阻力特性差异。基于仿生学原理和平板边界层理论,设计凹坑型、凸起型和波浪型3种非光滑管道壁面造型;采用数值模拟方法揭示不同非光滑管道壁面形态对流体摩擦阻力的影响规律;针对减阻性能最佳的凹坑型非光滑管道壁面,探索不同排列方式与流体减阻性能的关系。计算结果表明:凹坑型非光滑管道壁面沿程阻力系数最小,相比基准管道壁面模型其减阻率可提高35.57%;均匀排列方式的管道沿程减阻效果最显著。研究可对管道内壁面基于纹理减阻提供一定的参考依据。     

凹坑非光滑表面减阻技术数值模拟研究

对于管道输送,减小输送阻力消耗十分重要.对于减小输送阻力消耗,应用非光滑表面减阻技术尤为关键.利用流体力学知识,通过使用数值模拟软件,建立凹坑理论模型,以RNG κ-ε模型为基础进行分析,模拟计算了光滑表面和矩阵排布的凹坑表面.将两种表面流场分别进行数值模拟,得到不同的减阻效果.通过计算分析可以得出,在不同速度下,发现h = 0.05 mm的凹坑表面的减阻效果较好;针对12m·s-1工况下的凹坑表面进行分析,其平均剪切力小于光滑表面,说明凹坑内部的流体在压力差的作用下,产生低速旋流气体,促进主流区域流动,进而减小总阻力.     

弯管冲蚀失效流固耦合机理及数值模拟

针对流体输送管道失效研究中存在的问题,主要研究腐蚀与流体流动的交互作用对管道冲蚀破坏的作用机理。建立流固耦合数理模型,推导出在任意拉格朗日-欧拉(Arbitrary Lagrange-Euler, ALE)描述下的粘性流体N-S方程和腐蚀产物保护膜固体区域的控制方程,分析管壁边界层多相流介质流动与腐蚀产物保护膜破损之间的耦合作用。以弯管的冲蚀失效为例,结合弯管的结构特性、多相流的物性参数,运用ANSYS有限元分析软件,采用物理环境顺序耦合法进行流固耦合数值模拟,分析管壁腐蚀产物保护膜的变形程度和受力状态,判定弯管冲蚀破坏的危险区域和失效趋势;现场测厚数据与仿真计算结果基本吻合,验证仿真计算的可靠性和可行性,该方法可用于管道输送系统的风险预测、安全评估和工艺改造。     

仿生表面织构参数对血管支架内血流动力学特性影响的仿真分析

为优化支架植入后血管内血流动力学参数分布,改善支架内近壁区的血流特性,降低支架内再狭窄发生率,依据仿生学原理,将血管支架内表面的仿生减阻形貌抽象为三角形和矩形,采用ICEM CFD软件和FLUENT软件建模并仿真分析,在入口血流速度一定时,表面织构参数对血流速度、压强和壁面剪切应力等血流动力学特性的影响。结果表明支架内表面织构化后,血管内的血流特性有了很大改善,不同的织构结构及其尺寸对血流动力学参数分布的影响不同,当尺寸处于(0.025～0.06)mm范围内时,三角形沟槽结构的综合特性优于矩形沟槽结构。该结果对优化血管支架内表面的仿生沟槽结构及其参数具有一定的指导意义。     

非牛顿介质中图形化表面对减阻效果的影响

为研究图形化表面在非牛顿介质中对减阻效果的影响,在微摩擦试验机(UMT)上进行了销盘润滑实验。实验中在硅片的表面刻蚀了纵向和横向2种沟槽以形成不同的表面图形。实验表明,与光滑表面相比,当剪切速率处于牛顿流动区时,沟槽具有一定的减阻效果;而当剪切速率处于剪切稀化区时,沟槽表面的阻力上升;并且横向沟槽表面的阻力总是大于纵向沟槽表面的阻力。流体数值计算的结果表明,横向沟槽侧壁的压差阻力和纵向沟槽侧壁的粘性阻力无法完全补偿沟槽底面上的阻力损失,因而产生了减阻效果。     

仿鱼鳞的减阻表面设计

基于对鱼鳞减阻原理的分析,讨论了不同鱼类表面的牺牲性粘液减阻、表面切向流减阻两种原理;提出了针对不同粘度介质中的运动物体,应采用相应的减阻表面设计;分析了鱼鳞的结构布置与几何曲线,提出了模仿鱼鳞原理与结构进行减阻表面仿生设计的方法,这对在水和其它流体中运动的机械表面减阻设计具有指导意义。     

零质量射流技术的新发展及其在流动控制中的应用

零质量射流是主动流动控制的新技术。与常规射流相比,零质量射流最突出的优点在于具有零净质量流量。在应用零质量射流进行流动控制时,不再需要常规射流中必不可少的流体输送管道与其他机械部件。新型等离子射流较传统零质量射流可以获得高fii~／高动量零质量射流,可应用于宏观大尺度上的主动流动控制。文中阐述传统零质量射流和新型等离子射流的产生机制,概括和分析零质量射流在主动流动控制上的应用。     

二维点列式激光多普勒法测量物体速度

提出了一种二维点列式激光多普勒测量方法,用于捕捉轨迹有一定波动范围的空间运动物体的速度信息。该方法使衍射光栅产生的多束相干光在空间某探测位置相交,从而形成一个结构可调的二维探测体阵列。当物体轨迹的波动量在二维阵列范围内时,系统即可以获得其速度信息。与扩展光束型的多普勒测速系统相比,该方法具有空间分辨率高及能量集中等优点,因此可以用于远距离探测。另外,对固体表面散射光的多普勒信号进行了分析及模拟。结果表明:测量结果与模拟结果相一致,且经频谱校正后的平均误差可以达到1.63%。该系统结构易于集成,调节方便,适用于轨迹有一定波动量的空间物体的速度测量。     

微管道散热器换热性能的有限元分析

利用伽辽金有限元公式计算了微管道散热器中的管道表面温度分布、流体温度分布及流动阻力系数和换热系数等。与现有的分析方法对比发现，利用有限元方法可对热负荷任意分布工况下的微管道散热器进行传热性能分析，而且使用范围比现行的大型CFD软件更广，也可用于分析微管道散热器的几何参数对散热器传热性能的影响。     

光纤激光诱导背面干法刻蚀制备二元衍射光学元件

为了降低激光直接辐照透明介电材料的表面加工粗糙度和激光能量密度刻蚀阈值,提高微光学元件的产出率,介绍了一种用固体介质作吸收层,激光直接作用在透明光学材料上进行微纳加工的激光诱导背面干法刻蚀工艺。首先,选用95氧化铝陶瓷作固体材料辅助吸收层,应用中心波长为1 064 nm的掺镱光纤激光器,在3.2 mm厚的熔融石英玻璃表面刻蚀了亚微米尺度的二维周期性光栅结构。然后,对刻蚀参数进行拟合并探讨了激光能量密度对刻蚀参数的影响。最后,观察该二元光学元件的衍射花样图形并讨论其衍射特性。实验制备了槽深为4.2 μm,槽底均方根粗糙度小于40 nm,光栅常数为25 μm的二维微透射光栅,其刻蚀阈值低于7.66 J/cm²。结果表明,应用该工艺制备二维透射光栅,降低了激光刻蚀透明材料的密度阈值及加工结构的表面粗糙度。     

采用二维润滑模型的缸套-活塞环润滑分析

以发动机缸套-活塞环摩擦副为研究对象,基于二维瞬态平均Reynolds方程与微凸体接触模型,建立缸套-活塞环二维瞬态流体动压润滑模型.考虑缸套-活塞表面粗糙度、润滑油的变黏度效应以及汽缸套圆周方向形变等的影响,计算得到二维流体动压润滑下的最小油膜厚度、摩擦力等,并与采用一维模型计算得到的结果进行比较.结果表明,2种模型的最小油膜厚度、摩擦力的计算结果几乎是相等的,但采用二维润滑模型能够有效地对活塞环表面压力分布情况进行分析,并得到采用一维模型无法求解的环面压力分布特征.