微通道内屈服应力型流体的流变特性及多相流研究进展

屈服应力型流体（YSFs）是一种典型的非牛顿流体,因其丰富的流变特性被广泛关注。屈服应力是高浓度的粒子分散系统和凝胶状物质（多相乳液、微胶囊、3D打印复杂结构、药物输送凝胶等）的基本特征。本文对微通道内简单屈服应力型流体的流动特征和流变行为,及其流变性对多相流系统的影响进行了综述,剖析了受限空间内流体流动与流体流变性,及多相流动力学和界面现象的耦合机制,并对亟需推进的研究方向进行了展望。为微通道内屈服应力型流体的数值模拟、实验研究和应用提供参考。     

微细通道中R32流动沸腾换热的数值模拟

利用VOF多相流模型对R32在1、2 mm水平光管内流动沸腾换热进行了二维非稳态数值模拟。模拟的工况为：质量流速100 kg·m²·s^-1,热通量12 kW·m^-2,饱和温度15℃。模拟结果显示：2 mm通道内工质的流动沸腾过程依次经历了液相单相流、泡状流、弹状流;1 mm通道内工质的流动沸腾过程依次经历了液相单相流、泡状流、受限泡状流、弹状流。利用模拟所得气相体积分数分布、温度分布,分析了R32管内流动沸腾过程中的基本规律和气泡运动特点,以及管径对流动沸腾换热过程流型的影响。利用数值模拟结果与实验结果进行对比,显示较好的一致性。     

非牛顿流体研究进展及发展趋势

鉴于非牛顿流体在工业生产和日常生活中占有重要地位,详细总结了近两年来国内外非牛顿流体在各个研究领域内的研究近况,对非牛顿流体今后的研究趋势作了预测。最近,国内外对非牛顿流体的研究主要集中在非牛顿流体流变特性、非牛顿流体气液两相流流动、非牛顿流体的传质和传热以及非牛顿流体数值模拟方法等8个方面。今后,在对非牛顿流体研究的众多内容中,其首要解决的问题是非牛顿流体微观结构和流变特性的相互关系,流动规律准确的数值模拟以及非牛顿流体的新机能及相关设备的开发。     

微通道内Taylor流的计算流体力学数值模拟研究进展

简要阐述了计算流体力学(CFD)中流体体积函数法(VOF)的概念和原理。重点综述了采用CFD方法研究微通道中两相Taylor流的最新进展,包括两相流速度场、气泡或微液滴的生成、发展等流动特性、壁面处液膜厚度的影响因素、微通道内的传质传热特性等。最后展望了微通道内多相流CFD数值模拟的研究重点和应用方向。     

微细通道中R32流动沸腾换热的数值模拟

利用VOF多相流模型对R32在1、2mm水平光管内流动沸腾换热进行了二维非稳态数值模拟。模拟的工况为:质量流速100kg·m2·s~(-1),热通量12kW·m~(-2),饱和温度15℃。模拟结果显示:2mm通道内工质的流动沸腾过程依次经历了液相单相流、泡状流、弹状流;1mm通道内工质的流动沸腾过程依次经历了液相单相流、泡状流、受限泡状流、弹状流。利用模拟所得气相体积分数分布、温度分布,分析了R32管内流动沸腾过程中的基本规律和气泡运动特点,以及管径对流动沸腾换热过程流型的影响。利用数值模拟结果与实验结果进行对比,显示较好的一致性。     

超疏水微通道传热机理

介绍了在微尺度下化工流体流动和传热的特性,在实验研究超疏水微通道流动传热特性的基础上,建立了超疏水微通道凹槽的半球传热模型,并利用FLUENT软件,进行了数值模拟。对模拟的内部流场、温度场和传热系数的分布进行了分析,模拟得到的传热系数与实验值吻合性较好,本文认为在滑移速度的作用下,对传热具有促进作用。     

《化工学报》2007年第58卷第11期目次

综述与专论催化反应过程绿色集成系统热力学火用的计算及应用反式阿魏酸在溶剂中的溶解度传递现象R134a在水平双侧强化管外沸腾换热封闭腔内水自然对流换热数值模拟超疏水表面微通道内水的流动特性非共沸制冷剂非完全冷凝现象的假想及判据葡萄酒胶发酵中的内热源和传热特性多相流和计算流体力学颗粒旋转对鼓泡流化床内气固两相流动特性影响的数值模拟基于格子Boltzmann方法的单颗粒绕流数值模拟串行流化床内气固流动控制工业级管道中粉煤浓相流动特性规整填料干塔压降与波纹齿角的关系微小有限空间内微气泡控制生长的界面追踪与数值模拟石…     

方形微通道内超临界CO2流动换热特性研究

采用SST k-ω湍流模型对加热条件下超临界CO₂在方形微通道内的流动换热特性进行了数值模拟。通过对比三种壁面平均传热系数、浮升力参数和二次流强度的沿程变化研究了管型、热通量、质量流量和倾斜角度对微通道内流动换热性能的影响。结果表明：水平方形微通道的整体换热性能优于相同水力直径的半圆形微通道。流体域典型截面的温度分布、速度分布和湍动能分布等信息可以很好地解释水平方向流动时上、下壁面传热差异的现象。减小热通量、增大质量流量或减小流体流动方向与重力方向之间的夹角,可提高方形微通道的整体换热水平。该模拟结果对以超临界CO₂为工质的微通道换热器的设计和优化具有一定的理论指导意义。     

微小非圆截面通道内气液两相流数值模拟研究

利用ANSYS FLUENT软件,采用混合(Mixture)多相流模型对当量直径均为0.6 mm,高宽比分别为0.67、1、1.5的三种不同微小非圆截面通道内两相流流动与传热进行数值模拟,获得了不同截面管道内两相流温度、截面含气率及摩擦系数等变化分布情况,分析得出三种管道中高宽比为1.5时的矩形截面管道内两相流动及传热特性最优。     

周期性变截面微通道结构参数对流体流动和传热的影响

周期性变截面微通道扇形凹穴的设计,使通道内流体流动分为等直径流速型和弧形流速型,因此微通道的等直径段和弧形段的长宽度等结构参数对流体流动和传热有重要影响。针对周期性变截面微通道单相液体流动与传热特性,利用计算流体力学(CFD)模拟与分析软件进行了三维数值模拟。模型采用有限体积法离散、SIMPLEX算法进行层流计算。分析结果显示,等直径段和弧形段的长宽度等结构参数对周期性变截面微通道流体流动特性和传热特性有重要影响。在本文的模拟条件下,u=4 m·s^-1时,其最佳结构参数范围为0.151/L₂<2,1.42/W₁<2.1。     

微小通道内流动沸腾换热的预测新模型

为了得到适用于微小通道内流动沸腾换热的预测方法,本文以近些年发表的9篇文献中的2924个实验数据点组成数据库,考虑到随着通道直径减小,表面张力对微小通道内两相流动和换热的影响起到主要作用,将Chen形式的换热模型中的核态沸腾和对流换热两部分的修正系数进行了优化。沸腾抑制系数和对流增强系数由气相韦伯数、两相雷诺数、沸腾数、气泡抑制数等量纲为1数组成,反映出了表面张力、水力直径、流动条件、热力条件对于换热的综合影响。结果表明,拟合出的微小通道中沸腾换热的新模型,适于预测水力直径3 mm以下的细管道中CHF（临界热流密度）点以前的换热系数。与实验数据比较,新模型预测的平均绝对误差为19.0%。     

施工条件下CO2泡沫压裂液的对流换热特性

引　言水力压裂是油气井增产、注水井增注的一项重要技术 ,在开发低渗透率油气田中压裂起到了关键性的作用 ,本来没有工业价值的油气田经压裂后可变为有相当储量及相当开发规模的大油气田 .在影响压裂成败的诸因素中重要的是压裂液及其性能 ,对于大型压裂 ,这个因素就更为突出 .压裂液的类型及其性能对能否造出一条足够尺寸的、有足够导流能力的裂缝有着重要的影响泡沫作为压裂液在 2 0世纪 70年代初获得广泛应用 ,通常为气体 (CO2 或N2 )与压裂液 (如水基聚合物羟丙基胍胶等 )的两相混合物 .由于它具有油层伤害低、返排能力强、滤失量小、用液效率高、黏度适当、携砂能力强等特点 ,在压裂液体系中占据了相当重要的地位 .目前在国外 ,泡沫压裂液占整个压裂液体系的 30 %～ 5 0 %压裂液的流变特性如表观黏度、流变参数、热稳定性、剪切稳定性等对于携砂能力、造缝能力以及管流压降的预测具有决定性的作用 ,将直接影响到压裂参数的选择、压裂效果的评估 .对CO2 泡沫压裂液流变特性的研究参见作者的另一文献[1] ,在此不作说明 .在影响压裂液流变特性的诸多因素中温度的影响巨大 ,而在泵注过程或裂缝中泡沫流体不断和地层岩石间进行...     

CO2微细通道流动沸腾换热干涸特性

针对二氧化碳作为制冷剂在微细通道内两相流沸腾换热进行了实验与理论研究,采用红外成像观测与传热系数实验研究,定量与定性地分析了热通量2～35 kW·m^-2,饱和温度-10～10℃工况时,内径为1、2、3 mm圆管内的传热系数。实验结果表明:当质量流率增加时干涸起始干度逐渐降低,当质量流率小于临界值时,干涸现象结束之后,传热系数随着质量流率增加基本维持不变,而当质量流率大于临界值时,干涸现象结束之后,随着质量流率增加传热系数相应增加;随着管径增加,干涸发生的质量流率越小,临界热通量越大,同时管径越小传热系数越高。     

振荡热管内不同形态纳米颗粒流动及传热特性

主要针对不同形态的纳米颗粒在振荡热管内的流动及热传输特性进行了实验研究。在相同的压力、相同的热管倾角、不同的充液率条件下，对振荡热管内工质分别为Cu-水纳米流体以及Cu-水纳米流体中Cu纳米颗粒沉积后溶液的流动以及热传输特性进行了实验研究，并与工质为蒸馏水时进行了对比实验分析，以此来研究振荡热管内气、液以及纳米颗粒多相流动存在时，对热管传输特性的影响。实验表明：当振荡热管内存在气、液以及不同形态的纳米颗粒多相流动时，对其传热特性会产生很大的影响，在一定条件下会起到强化传热的作用。     

COMBINED LAMINAR FREE AND FORCED CONVECTION FROM A VERTICAL PLATE TO POWER LAW FLUIDS

The boundary layer heat transfer for the steady two-dimensional incompressible combined laminar free and forced convection from a vertically static or moving plate to a power-law non-Newtonian fluid is analyzed by local similarity method. The effects of the flow index, buoyancy parameter, modified Prandtl number and streamwise distance on the heat transfer rate are discussed for the prescribed surface temperature and prescribed wall heat flux cases.     

COMBINED LAMINAR FREE AND FORCED CONVECTION FROM A VERTICAL PLATE TO POWER LAW FLUIDS

The boundary layer heat transfer for the steady two-dimensional incompressible combined laminar free and forced convection from a vertically static or moving plate to a power-law non-Newtonian fluid is analyzed by local similarity method. The effects of the flow index, buoyancy parameter, modified Prandtl number and streamwise distance on the heat transfer rate are discussed for the prescribed surface temperature and prescribed wall heat flux cases.     

MOMENTUM INTEGRAL METHOD FOR FORCED CONVECTION IN THERMAL NONEQUILIBRIUM POWER-LAW FLUID-SATURATED POROUS MEDIA

Forced convection heat transfer for power-law fluid flow in porous media was studied analytically. The analytical solutions were obtained based on the Brinkman-extended Darcy model for fluid flow and the two-equation model for forced convection heat transfer. As a closed-form exact velocity profile is unobtainable for the general power-law index, an approximate velocity profile based on the parabolic model is proposed by subscribing to the momentum boundary layer integral method. Heat transfer analysis is based on the two-equation model by considering local thermal nonequilibrium between fluid and solid phases and constant heat flux boundary conditions. The velocity and temperature distributions obtained based on the parabolic model were verified to be reasonably accurate and improvement is justified compared to the linear model. The expression for the overall Nusselt number was derived based on the proposed parabolic model. The effects of the governing parameters of engineering importance such as Darcy number, power-law index, nondimensional interfacial heat transfer coefficient, and effective thermal conductivity ratio on the convective heat transfer characteristics of non-Newtonian fluids in porous media are analyzed and discussed.     

非牛顿流体在波节套管换热器中流动与换热的实验研究

针对非牛顿流体在波节套管换热器管程的流动与换热进行了实验研究。重点研究了0.2%黄原胶溶液(XG)在不同波节套管换热器管程流动时的传热与阻力特性,并分析了强化传热机理。结果表明在相同工况下,随着管程黄原胶溶液Reynolds数Re_XG的增大,套管换热器总传热系数k和管程进出口压降Δp逐渐增大;波高H和波距S影响黄原胶溶液在套管换热器管程的流动与换热。随波高H增大,黄原胶溶液受波节处的涡旋效应的影响更明显,流体层间剪切力变大导致黄原胶溶液黏度变小,湍流程度更大,管程传热性能提高,压降也增大,但综合传热性能不断优化;随波距S增大,单位长度波节数量减少,对黄原胶溶液扰动影响降低,湍流程度降低,管程传热系数先增大后减小,流动阻力不断降低,综合传热性能先提高后减弱。当H=3.5 mm、S=30 mm时管程波节管的综合换热因子η_tube达到最大,η_tube是相同条件下圆管的5.11~6.69倍。     

非牛顿流体在波节套管换热器中流动与换热的实验研究

针对非牛顿流体在波节套管换热器管程的流动与换热进行了实验研究。重点研究了0.2%黄原胶溶液(XG)在不同波节套管换热器管程流动时的传热与阻力特性,并分析了强化传热机理。结果表明在相同工况下,随着管程黄原胶溶液Reynolds数Re_XG的增大,套管换热器总传热系数k和管程进出口压降Δp逐渐增大;波高H和波距S影响黄原胶溶液在套管换热器管程的流动与换热。随波高H增大,黄原胶溶液受波节处的涡旋效应的影响更明显,流体层间剪切力变大导致黄原胶溶液黏度变小,湍流程度更大,管程传热性能提高,压降也增大,但综合传热性能不断优化;随波距S增大,单位长度波节数量减少,对黄原胶溶液扰动影响降低,湍流程度降低,管程传热系数先增大后减小,流动阻力不断降低,综合传热性能先提高后减弱。当H=3.5 mm、S=30 mm时管程波节管的综合换热因子η_tube达到最大,η_tube是相同条件下圆管的5.11~6.69倍。     

Shear rate dependence of thermal conductivity and its effect on heat transfer in a Non-Newtonian flow system

The purpose of this research was to investigate the extent to which the thermal conductivity of non-Newtonian fluids is affected by fluid motion, and then the effect of this shear-rate-dependent thermal conductivity, measured in Lee [1995], on the heat transfer for a typical convective system. Such information would have important implications in the design and analysis of non-Newtonian thermal systems such as are found in food processing operations, polymer processing, paint manufacturing, biological systems and many others. A simple parallel plate flow model with temperature-independent properties gave increases in heat transfer on the order of 30–80 % compared to the heat transfer with shear-rate-independent thermal conductivity in Newtonian fluid flow over the entire temperature range (20–50 °C) of CMC solutions depending on the inlet average velocity due to the effect of the shear-rate-dependent thermal conductivity.