竖直平板上层流降液膜表面波特性的实验研究

基于自主设计的平板降液膜流动实验台,分析了层流状态下竖直平壁上表面波在空间域和时间域上的演化过程,利用高速摄像机阴影成像法在Re为600~1 300下,对表面波形态、波速和频率等流动特性进行了实验研究,并在实验测量的基础上结合Matlab图像处理深入分析了表面波波速和频率等统计特征.结果表明:孤立波波速与Re具有线性正相关性,波速的变化范围也随Re的增大而增大,而孤立波频率与Re和沿程距离呈弱相关;通过Matlab编程得到实验中孤立波频率在7~13Hz内波动.     

竖壁降膜波动特性数值模拟研究

建立了竖直壁面降膜流动的二维几何模型,运用VOF方法对雷诺数200～1 000的降膜的波动特性进行了数值模拟。研究了液膜的波动特征、液膜流动方向的速度变化以及液体雷诺数对液膜波动的影响规律。结果表明:根据液膜的形态可以将流动区域分为入口区、发展区和稳定区三部分。入口区的液膜相对比较平滑,发展区的液膜表现为频率较高的小幅波动,稳定区的液膜波动幅度增加而频率减小;入口区的最大流速大于初始流速,发展区的最大流速在初始流速上下波动,而稳定区流速小于初始流速;随着液体雷诺数的增加,液膜厚度增加而波幅降低。     

薄液膜二维表面驻波的流动稳定性研究

驻波作为薄液膜表面波中的一种波，其流动稳定性受界面热不平衡效应的影响。基于边界层理论和界面热不平衡效应，推导出沿倾斜璧面下降的在蒸发、等温和冷凝状态下普遍适用的二维表面驻波空间稳定性方程，从理论上深入分析了热不平衡效应、流体物性、壁面倾角和雷诺数对驻波稳定性的影响。研究表明：热不平衡效应对驻波稳定性的影响仅在小雷诺数下较为明显，在高雷诺数下，稳定性主要取决于惯性力和粘性力；流体物性和壁面倾角在整个雷诺数范围内均起着非常明显的作用。     

剪切层流蒸发液膜的传热特性

为克服理论分析中气液界面对流换热难以计算的问题,基于气相传热模型,建立了在同向或反向切应力作用下层流饱和蒸发液膜的传热模型,推导出无量纲液膜厚度和壁面对流换热系数与流动长度、界面切应力和初始雷诺数间的理论关系式.研究表明,受液膜蒸发的影响,液膜厚度沿流动长度不断减小,换热传热系数不断增加;同向切应力具有减薄液膜厚度和增大传热系数的作用;反向切应力则具有相反的作用,其影响更为明显.这一理论模型可以反映层流饱和蒸发液膜的传热特性.     

自由表面摩擦和蒸发对过冷下降液膜传热的影响

从理论上对下降液膜在自由表面上存在反向剪切力和蒸发散热情况下的换热特性进行了分析，得到了膜厚、换热系数的无量纲关系式，讨论了剪切力、液膜雷诺数、壁面热流、蒸发率对流动和传热的影响。     

近壁面液膜层中微孔注气气泡动力学研究

为了降低近壁面沸腾过程中气泡动力学分析的不确定性,利用光谱共焦传感器构建了7 mm的液膜层,对近壁面液膜层中单孔注气气泡动力学进行了系统研究。实验测试段为270 mm×6 mm×12 mm(长×宽×高)的矩形通道,注气小孔的直径为0.49 mm,气体流量为0.30～27.00 mL/min,液体流量为72.00～324.00 mL/min。研究结果表明:在流动和静止液膜中,不同气体流量下气泡的接触线直径均先增大后减小;受到液体水平曳力的影响,相同气体流量下,气泡在水平流动液膜中的脱离频率比静止液膜中大,脱离体积比静止液膜中小,并且气泡会沿流动方向倾斜,气泡前进接触角与后退接触角的差值随着液体流量的增加而增加;近壁面液膜层中注气气泡动力学的实验研究精确地测量了气泡接触线直径以及接触角等形状参数,为相似工况下沸腾气泡的受力分析研究提供重要参考。     

环形布膜器垂直管内R113降膜蒸发换热特性数值研究

通过建立垂直管内降膜蒸发物理数学模型,对环形插头型布膜器管内R113的气液两相逆流降膜蒸发换热特性进行二维非稳态数值研究,分析了管内液膜流动分布以及壁面温度和液膜表面温度分布,对比了加热前后液膜厚度的变化.结果表明:随着降膜蒸发过程的进行,液膜下端开始出现液滴飞溅,且不断向上端发展;R113在管内降膜蒸发过程中壁面温度和液膜表面温度沿流动方向逐渐升高,气相温度变化趋势则相反;从壁面到管中心,温度沿径向逐步降低,在近壁面1mm前后其分布趋势相反;加热后液膜厚度明显减小,且下游液膜厚度变得相对均匀.     

垂直自由下降液膜厚度的瞬时无接触测量研究

在垂直自由下降液膜试验台上,利用CCD(Charge Coupled Device)的图像快速采集功能,获得了不同雷诺数下自由下降液膜流的瞬时流态图像,并用图像处理方法对这些原始图像进行计算机数字化处理。研究了某一区域内瞬时液膜厚度沿流向演化特征和某一位置上液膜厚度随时间的演化特征,并给出了不同雷诺数下平均液膜厚度和雷诺数间的实验关联式。实验结果表明:在雷诺数小于4000时测量精度较准,在雷诺数大于4000时,由于采样设备的影响,误差较大。本文实现了液膜流动特征的无接触测量,为数字图像处理技术应用到薄膜流动特性研究方面做出了有益的尝试。     

水平单管外混合气体对流冷凝换热的理论研究

采用修正的膜模型与Nusselt凝结理论结合的方法,对含湿混合气体自上而下横掠水平管外时的对流冷凝换热机理进行研究,建立了液膜流动和传热模型,进行数值求解并分析了雷诺数、壁面温度及水蒸汽浓度等因素对混合气体冷凝换热的影响。计算结果表明:水管外壁液膜厚度分布很大程度上受气体边界层对液膜剪切力的影响。而局部努谢尔数不同于纯蒸气的的冷凝换热,它受气相热阻的影响很大,其分布状况类似于单相气体管外的对流换热。     

垂直下降管内液膜沸腾蒸发及相界面波动研究

采用数值模拟的方法对垂直下降管内液膜沸腾蒸发流动和传热特性进行研究。分析入口雷诺数Re和热流密度的耦合作用对液膜流动和传热的影响,结果表明:壁面生成的汽泡呈现液滴状;大汽泡表面分割、脱离出小汽泡;汽泡生成、脱离强化了沸腾传热效率;热流密度越大,液膜表面的稳定性越差;Re的提高能够增强相界面稳定性;降膜沸腾传热方式的不同对传热系数影响很大;在计算工况范围内,绘制出传热模态分布图,为工程应用提供基础。     

正弦波形填料基底上液膜的研究及热经济性分析

为研究正弦波形填料基底上液膜的流动、传热特性及不同结构该基底的冷却效果对电厂热经济性的影响,通过建立合理的物理模型,运用Fluent软件对不同振幅、波长和倾斜角度条件下正弦波形填料基底上的冷却液膜进行了数值模拟.以数值模拟的出口水温为计算依据,通过热力计算分析了不同正弦波基底结构对全厂热经济性指标的影响.结果表明:倾斜角度、振幅不变时,随着波长的增加,基底上液膜的厚度变薄,出口水温升高;波长、振幅不变时,倾斜角度的增大使得基底上液膜的厚度增加,出口水温降低;倾斜角度、波长不变时,随着振幅的增大,基底上液膜的厚度变厚,出口水温降低.     

纵向涡发生器对涡轮叶片前缘冲击冷却的影响

采用三维数值方法对涡轮叶片前缘射流腔内的流动和换热特性进行了研究。在射流腔内安置一对三角形纵向涡发生器,研究了纵向涡发生器的安置角度、两纵向涡发生器间的距离以及纵向涡发生器距射流孔中心的距离对流动和换热的影响,分析了纵向涡发生器强化冲击换热的机理。结果表明:当在射流孔前的上壁面上增加一对纵向涡发生器后,射流孔前的横流流速减小,射流穿透力增大,射流腔内湍动能增大,从而造成靶面换热极值及高换热区域显著增大;在研究的纵向涡发生器各位置参数范围内,当横流雷诺数较低时,各参数对靶面换热的影响不大。     

矩形波状壁面二维层流运动阻力特性的研究

采用有限体积法对雷诺数Re＜2 000的层流流态下周期性矩形筋条波状壁面阻力特性进行了数值模拟,针对不同无量鲷波幅a/h与各种雷诺数的组合,计算了壁面应力分布特性.通过实验与数值法论证结果表明,波状壁面下水流的形状阻力、摩擦阻力随雷诺数增加而增大,提出了周期性矩形波状波边界层流沿程平均水头损失系数ξ的概念,可获平均阻力系数随雷诺数和筋条几何参数间的变化规律,具有实用价值.     

振动叶栅气膜流场的数值模拟分析

采用动网格技术和k-ε两方程湍流模型,通过求解三维非定常雷诺时均Navier-Stokes方程,对振动叶栅之间的流场进行数值模拟,分析叶栅振动对流动的影响。研究表明:叶栅振动导致气膜孔流量和主流流量呈现周期性波动,流量波动随着频率的增加而增加;主流平均流量随着频率的增加降低,射流平均流量随频率的增加升高;速比随着频率的增加逐渐降低,当频率增到1300 Hz时,速比降低接近46%;振动导致弯曲段提前,射流轨迹与壁面距离增大,壁面附近动量交换增多。     

非能动安全壳竖直平板降膜流动特性数值模拟

核电安全日益受到关注,非能动系统作为第三代核电系统具有很高的安全性。采用FLUENT流体体积分数(volume of fraction,VOF)模型和k-ε湍流模型对非能动安全壳冷却系统(passive containment cooling system,PCCS)三维平板降膜流动进行数值模拟。结果表明:1)在降膜过程中有波动现象,最终波动趋于平缓;2)水与空气逆流流动过程中发生轻微的液滴夹带;3)降膜流动受重力、表面张力与壁面黏滞力共同作用,液膜厚度沿横向分布均匀,沿高度方向平均液膜厚度越来越小,并且受进口水流速度与入口宽度影响,水流量一定时增加进口水流速度与入口宽度,平均液膜厚度增大,空气入口流速对水膜厚度影响相对较小。     

入射角对气膜冷却效果影响的数值研究

采用Realizablekε-湍流模型对吹风比M=1.0时平板单圆孔不同入射角度的气膜冷却流场进行了三维定常数值模拟,得出了沿程速度、气膜冷却效率及壁面努塞尔数的分布,并对流场的流动和传热特性进行了详细分析.结果表明：随着入射角度的减小,射流在沿程方向的影响区域有所增加,最大速度点的位置逐渐下移,但并不是按入射角度减小成线性递减;在各种射流角度下,最大冷却效率均出现在气膜孔下游附近的区域,并沿程逐渐降低;当5〈x/d〈20时,冷却效率在入射角度α=10°时最大,α=70°时最小;射流下游壁面的Nu在分离点附近出现峰值,吹风比相同时,α=10°时Nu最大,α=70°时最小;在流动区域内存在反向涡旋对,小角度射流时气膜良好的贴壁性抑制了反向涡旋对的抬升和发展,其换热效果在展向的影响范围相对较小.     

非圆形微通道热沉的流动换热特性数值模拟

建立了非圆形硅微通道内单相流动和换热过程的三维模型,并分别对三角形、矩形和梯形微通道中流动换热进行了数值模拟.研究发现,截面平均努塞尔数在通道入口处数值最大,然后沿流体流动方向急剧减小,直至流动充分发展时趋于恒定.固体和流体温度沿流动方向近似线性升高.换热面壁温仅沿流动方向升高,在垂直于流动方向,温度则基本保持均衡;雷诺数对微通道的流动与换热特性存在着较大的影响,雷诺数越大,其对应的努塞尔数也越大.对3种微通道的热经济性分析比较发现,三角形通道的热有效性最高.     

壁面局部振动的管内射流流场模拟

采用动网格技术和k-ε两方程湍流模型,通过求解二维非定常不可压雷诺时均N-S方程,对局部壁面振动的管内射流流场进行模拟,分析局部壁面振动的振幅和频率对流动的影响。结果表明:射流孔下游壁面静压随振幅、频率的增加而增加;射流孔的平均流量随振幅的增加而减小,随频率的增加而增加;流量波动随振幅、频率的增加而增加,高频率对流动的影响更加明显。研究结果为进一步研究振动表面小孔射流特征和振动叶片的气膜冷却问题提供参考。     

三角形微槽中的气体滑移流动特性

针对三角形微槽利用正交函数法求解了带一阶滑移边界条件的N-S方程，对不可压燃气体在等腰三角形和等边三角形微槽道内的充分发展层流滑移流动特性进行了理论分析，获得了三角形微槽内的速度分布和阻力特性的分析解，计算结果表明，正交函数法适用于三角形微槽内滑移流动特性的分析计算，在滑移流区，三角形微槽边界上出现滑移流动，且随着Knudsen数（气体分子的平均自由程与流道特征尺寸之比）的增大，壁面上的滑移速度越大，流动阻力随之减小，但三角形微槽的三个角区边界上的滑移速度增加较小，三角形微槽的高宽比对无量纲阻力常数随Kn的变化关系影响很小。     

外波纹管管外降膜流动过程液膜厚度及速度分布特性

针对外波纹管管外降膜流动过程,采用实验结合数值模拟的方法,考察了液体喷淋密度、管间距和管径变化对液膜厚度周向分布的影响,并与光滑管进行了比较,同时分析了外波纹管管外液膜速度分布特性。结果表明:光滑管外液膜厚度由上至下沿周向呈先减小、后增加的趋势,在90°～120°之间液膜最薄;外波纹管去除波纹间凹槽内的液体后,波纹外的液膜厚度数值及其周向分布规律与相同直径的光滑管相似,周向平均液膜厚度随着液体喷淋密度的增加、管间距及管径的减小而增大;液膜沿周向分布的均匀程度及流动速度大小均与液膜厚度有关,波纹外液膜沿周向分布的不均匀性随着液膜厚度的增加而增加,气液界面处的液体速度沿周向分布规律与液膜厚度分布规律相反;相邻两波峰间凹槽内的液体存在局部循环流动。