射流卷吸边界层内相干结构的实验研究

在轴对称水射流实验台上,采用单帧长曝光图像法,测量了出口Reynolds数在1849～2509范围内的卷吸边界层内流场结构。发现在流向距离L=2D～3.5D,径向距离H=D～1.25D的区域内,流场中吞噬作用和侵蚀作用两种卷吸模式交替出现。分析得到,当Re1915时,吞噬作用所占的比例随着Re的增大而增大,当Re2311之后,Reynolds数对该结构发生概率的影响降低;通过快速傅里叶变换得到该相干结构发生的频率在10～19Hz之间;吞噬作用发生的同时在流场中观测到一些特殊涡结构。同时采用运动单帧长曝光图像法对射流流场进行拉格朗日法观测,发现射流流场中的涡结构一般存在于湍流与非湍流界面附近。     

微通道内单柱绕流特性的Micro-PIV实验研究

采用微观粒子成像系统（Micro-PIV）实验研究了6<Re<300范围内微通道内D=0.4mm圆柱的绕流特性，获得并分析了不同Re下不同高度流层的速度场、涡量场、湍流强度场及回流区漩涡结构。研究结果表明，微圆柱绕流出现漩涡的第一临界Re在10左右，随着Re的增大，尾流区涡长度和宽度增加，尾流区域增大，漩涡中心后移；由于黏性阻滞，越靠近微通道壁面，主流速度越低且分布越均匀；不同高度下回流区长度相同，远离壁面的平面尾流区漩涡中心沿流动方向后移；高涡量区与高湍流强度区分布在微圆柱两侧，说明该位置流体混合较为剧烈，随着Re的增大，涡量增加，高涡量区变窄、变长，湍流强度及高湍流强度区域增大，当Re>200，不同高度流层的湍流强度差别较小。     

基于微观粒子图像测速法的微肋阵通道内流场特性研究

采用微观粒子图像测速法（Micro-PIV）,实验研究了Reynolds数（Re）=50～800范围内去离子水在微肋直径D=0.4 mm微肋阵内的绕流流场特性,获得了不同Re下错排和顺排微肋阵内的流线分布与速度场,分析了Re与微肋排布方式对旋涡结构、流速分布等流场特性的影响规律。研究结果表明,在Re=50～700范围内,错排和顺排微肋阵内均出现涡结构,当Re=800时错排微肋阵内开始发生旋涡脱落;错排微肋阵内旋涡长度随着Re的增大而增加,而对于顺排微肋阵,在低Re时旋涡长度随着Re的增大而增加,当Re≥300后,旋涡长度保持微肋间距不再增加;顺排微肋阵内主流区顺流速度较错排微肋阵大,而错排微肋阵内横向速度大于顺排微肋阵且最大值比顺排微肋阵高约25%,微肋错排布置增强了流体的掺混。     

磁场对熔盐射流冲击传热的影响

以永磁铁构建定磁场，进行外加磁场作用下熔盐射流冲击传热的实验研究，并得到Nusselt数Nu驻点关联式和径向分布。结果表明，在驻点区范围内，Nusselt数较无磁场作用时增大，传热得到比较明显的增强，而在壁面射流区，这种强化传热效果逐渐减弱。此外，当Reynolds数Re一定时，熔盐Nusselt数随着磁场强度的增加而增大，且驻点处强化传热效果最为显著。在Reynolds数Re=6400与磁场强度B=2800 Gs条件下，熔盐驻点Nusselt数Nu₀提高约6％，可见磁场作用对熔盐射流冲击传热具有一定的强化效果。     

Ross LPD型静态混合器内湍流传热与混合强化特性

在湍流状态Re=2640~17600下,采用恒热通量传热实验与数值模拟相结合的方法,系统研究Reynolds数Re和交错角对Ross LPD型静态混合器内湍流流动与传热性能影响,采用Nusselt数、Darcy摩擦系数、综合传热系数、速度场与温度梯度和压力梯度协同角等参数评价混合器内传热强化性能;基于CFD与LPT相耦合分析混合器内流体微元拉伸率。研究结果表明：SST k-ω模型预测Ross型静态混合器湍流阻力及传热结果与实验结果具有很好一致性;Ross混合器流场内形成与流场尺度较为接近的纵向涡,其涡心在圆形截面与半圆形截面中心间周期性迁移,横截面内湍流分散混合效率是Kenics的3.36~1.72倍;当Re>7040时,Ross LPD综合传热性能明显优于KSM;当叶片夹角为30°时,综合传热性能系数具有最大值;Ross LPD内插件具有高效低阻的技术优势和结构改进潜力。     

Ross LPD型静态混合器内湍流传热与混合强化特性

在湍流状态Re=2640~17600下,采用恒热通量传热实验与数值模拟相结合的方法,系统研究Reynolds数Re和交错角对Ross LPD型静态混合器内湍流流动与传热性能影响,采用Nusselt数、Darcy摩擦系数、综合传热系数、速度场与温度梯度和压力梯度协同角等参数评价混合器内传热强化性能;基于CFD与LPT相耦合分析混合器内流体微元拉伸率。研究结果表明：SST k-ω模型预测Ross型静态混合器湍流阻力及传热结果与实验结果具有很好一致性;Ross混合器流场内形成与流场尺度较为接近的纵向涡,其涡心在圆形截面与半圆形截面中心间周期性迁移,横截面内湍流分散混合效率是Kenics的3.36~1.72倍;当Re>7040时,Ross LPD综合传热性能明显优于KSM;当叶片夹角为30°时,综合传热性能系数具有最大值;Ross LPD内插件具有高效低阻的技术优势和结构改进潜力。     

基于停留时间分布的缠绕管内二次流研究

缠绕管内二次流能够显著强化管内传质、传热性能。通过测量缠绕管内液体的停留时间分布,利用无量纲方差σ²表征二次流强度,研究了缠绕直径、缠绕角度、缠绕管管径等结构参数对二次流的影响。结果表明：在径向流动未达到极限迁移距离的缠绕管中,随着液体Reynolds数Re的增大,σ²先减小后增大,对应缠绕管内依次出现的湍流作用区和二次流作用区;在径向流动达到极限迁移距离的缠绕管中,随着Re的增大,σ²先减小后增大最后趋于平稳,对应缠绕管内依次出现的湍流作用区、二次流作用区和二次流极限区。从湍流作用区转变为二次流作用区的临界Reynolds数Re_S随缠绕管缠绕直径和管径的减小而减小,缠绕角度对Re_S的影响较小。     

循环射流混合槽内液液两相混合特性数值模拟

循环射流混合槽作为一种高效的混合装置在化工过程强化处理技术中具有潜在的工业应用前景。由于缺乏对其内多相体系流动和混合行为的研究,制约了循环射流混合反应器的优化设计与工业化应用。本文选取水和二甲基硅油两相体系,采用计算流体力学软件ANSYS Fluent V16.1中Eulerian-Eulerian多相流模型和SST k-?湍流模型,对两种不同加料方式下循环射流混合槽内液液两相射流中心线速度、离析强度、拉伸率等参数进行研究。研究结果表明：分散相浓度（α_d）增大射流卷吸能耗增大,在l/s<0.4内α_d=1.80%和2.86%量纲为1的射流中心线速度衰减趋势与α_d=6.00%相比减弱51%和21%;在低分散相浓度时,量纲为1的射流中心线速度随Re的增大衰减趋势变化小,在l/s<0.24内Re=6346、9519和12692量纲为1的射流中心线速度衰减趋势与Re=3173相比分别减弱2.60%、2.87%和12.69%。离析强度随混合时间的增大而减小,随周向角度增大呈W形变化趋势。在相含率和雷诺数相同时,对称球状较圆柱状加料达到混合时间减少65.5%;不同喷嘴之间的拉伸率随迹线长度的增大而增大,jet1和jet9位置处的拉伸率与其余喷嘴相比较大;相同喷嘴之间拉伸率随Re的增大而增大,Re=6346、9519和12692的拉伸率与Re=3173相比分别提高289%~320%、418%~454%和607%~667%。     

采用大涡PIV方法研究搅拌槽内湍流动能耗散率

在槽径为0.476 m的六直叶涡轮桨搅拌槽内,采用粒子图像测速仪(PIV)对桨叶区的流场进行了实验研究,得到了桨叶区的平均流速和湍流动能(k)分布,采用大涡PIV方法对湍流动能耗散率(e)分布进行了估算,计算了e与k的相关系数. 结果表明大涡PIV方法能有效地估算e分布;桨叶区的射流向上倾斜,两尾涡分布于射流两侧,射流的倾角和两尾涡中心间距随射流向壁面运动而变化,射流倾角先增大再减小,相位角q=40o时达到最大值13.2o,两尾涡中心间距先减小再增大,q=20o时达到最小值0.0387(用槽径T无因次化);湍流动能和湍流动能耗散率峰值均位于尾涡靠近射流的区域;湍流动能和湍流动能耗散率的平均相关系数为0.363,射流核心区相关系数小于周边区域.     

内插不同形状涡产生器管内层流流动与传热特性的对比分析

内插扰流元件是一种可操作性强的管内强化传热方式，其强化传热机理主要是在管内诱导产生了二次流。在均匀壁温热边界条件下，对内插不同形状涡产生器管内层流流动与传热特性进行了数值分析。研究发现：在扭带基础上裁去部分面积相同的条件下，管内插等腰梯形涡产生器的换热能力最强，直角梯形涡产生器次之，矩形涡产生器的换热能力最差，管壁上的局部Nusselt数的峰值所在圆周位置及其大小与涡产生器形状有关，而不同形状的涡产生器对管内流动的阻力系数影响较小。插入涡产生器后，管内二次流强度参数Se和平均Nusselt数Nu均随Reynolds数Re的增大而增大，二者随Reynolds数Re的变化规律具有一致性。平均Nusselt数Nu与二次流强度参数Se呈幂函数相关，内插涡产生器管内的二次流强度决定了其对流换热强度。     

近壁面静止圆球的尾迹特性

圆球在大空间均匀来流下的绕流特性已得到了广泛的研究,但是壁面对圆球绕流特性的影响还未清楚。通过实验方法研究了与壁面接触的静止圆球在明渠流中的绕流特性,重点关注了圆球后尾迹的特性。研究发现,圆球尾迹存在三种状态：稳定状态、非稳定对称状态和非稳定非对称状态。当Re<150时,尾迹呈稳定状态,尾迹关于垂直于壁面的平面对称;当150<Re<400时,尾迹呈对称状态,Reynolds数较高时,圆球后存在规则的、周期性的涡脱落,Strouhal 数为0.26~0.33,脱落涡关于垂直于壁面的平面对称,此时尾迹功率谱的频带分布较宽;而当Re>400时,圆球后的涡脱落不再对称,尾迹随着Reynolds数的增大呈现混沌特征。     

Influence of magnetic field on jet impingement heat transfer with molten salt

Experimental study of jet impingement heat transfer with molten salt under the influence of external constant magnetic field was generated by permanent magnets. Both stagnation correlation and radial distribution of Nusselt number under magnetic field were obtained. The results showed that the Nusselt number with magnetic field became higher than that without magnetic field at stagnation region and jet impingement heat transfer was comparatively enhanced, while in wall jet region, the enhancement of heat transfer was gradually weakened. In addition, when the Reynolds number was constant, the Nusselt number of molten salt increased with increasing of the intensity of magnetic field, and the most enhanced heat transfer existed at the stagnation point. Under the conditions of Reynolds number Re=6400 and the intensity of magnetic field B=2800 Gs, the stagnation Nusselt number of molten salt was about 6 % higher than that without magnetic field. It can be seen that the magnetic field may promote the jet impingement heat transfer of molten salt.     

T型反应器内流动、混合及界面反应特征

利用平面激光诱导荧光（PLIF）技术和酚酞显色反应,对不同Reynolds数（20<Re<420）下T型反应器内的复杂流动结构及界面反应进行了可视化研究。随着入口Re的增加,反应器内依次出现分离流、稳态吞噬流、非稳态吞噬流及非稳态对称流等流动模式。重点考察了不同流动模式下T型反应器内的界面反应特征,结合流动模式对混合效果、产物浓度分布及时间演化进行了分析,揭示了反应器内复杂流场对混合及界面反应的影响机理。结果表明,吞噬流三维旋涡结构使流体相互卷吸缠绕,通过折叠拉伸形成层状的流体界面,极大增加了反应物的界面接触面积,混合及反应程度显著提升,产物浓度较高且分布均匀。     

润滑油在内插同轴交叉翼型涡产生器管内流动与传热特性分析

以润滑油为工质,采用数值方法对圆管内插同轴交叉等腰梯形涡产生器的管内流动与传热进行了数值模拟,分析了不同结构参数如扭率（T_r=3,4,5,6）、间距比（S_s/W=0.8,0.9,1.1,1.2）和基带宽度比（W_b/W=0.30,0.45,0.60,0.75）对圆管内插同轴交叉等腰梯形涡产生器的管内流动与传热特性的影响。结果表明：在相同Re下,平均Nusselt数Nu_m、二次流强度Se、强化传热因子JF均随扭率和间距比的减小而增大,而其与基带宽度比的变化没有明显规律,阻力系数f随着扭率的减小和基带宽度比的增大而增大,间距比对f的影响甚微。在相同结构参数下,JF和Se均随Re的增大而增大。在Re=50~1000范围内,相比于光滑圆管,内插不同结构参数的同轴交叉涡产生器的Nu_m增加了32.8%~208.6%,f增加了3.38~8.92倍,JF最大可达1.434。Nu_m与Se呈幂函数相关,内插同轴交叉翼型涡产生器管内的二次流强度决定了其对流换热强度。