粗糙壁面通道内的流动研究

通过对流动中熵产的数值计算,研究了管道和平面通道内流动中粗糙壁面对摩擦的影响.研究表明,在层流流动中壁面粗糙度的影响也是值得重视的,尽管这种效应以往常常被人们所忽视.除了可得到摩擦因子之外,由于可以得知流场中壁面粗糙单元附近的耗散分布,因此可深入理解这一物理现象的本质.为了对粗糙壁面通道内的流动进行简明的描述,需要对壁面位置和粗糙度参数进行合理的选择,并对各种选择方案进行了讨论和评价.     

不同压力差下微通道尺寸和表面粗糙度对摩擦系数的影响

该文数值模拟液体在圆形和梯形截面微通道内的流动,分析了层流和湍流下液体在微圆管内的流动状态。着重研究不同压力差、微通道尺寸和表面粗糙度下,液体在微通道内的流动摩擦系数,并通过摩擦系数随雷诺数的变化曲线推断微通道流动转捩的雷诺数范围。研究表明:微通道中流动的摩擦系数随雷诺数的增大逐渐减小;通道截面的当量直径会改变过渡状态存在的雷诺数范围;粗糙度会影响湍流状态下流动的摩擦系数,相同雷诺数下,粗糙度越大,摩擦系数越大。     

粗糙度对微流道内流体连续自搬运的影响

微流控芯片中各功能单元间样品的运输依赖于流体在微通道中的流动,尺度效应加剧表面作用效果,使得微流道内流体无需外部动力即可实现连续铺展搬运。为了深入研究微流道内流体的流动机制和动力学特性,分析影响微流道内流体自搬运效率的因素,基于近似Derjaguin法的同时充分考虑表面能和Casimir效应,利用数值计算和实验相结合的方法分析了微流道内壁粗糙度对流体流动特性和自搬运效率的影响,明确了微流道内流体的本构方程和流动控制方程,并设计搭建实验台验证所得结果的有效性和可靠性。结果表明：内壁粗糙度是影响微流道内流体流动特性和连续自搬运效率的重要因素;当粗糙度等效齿数、等效齿高和等效齿倾角变化时,微流道内近壁面齿隙间的主漩涡和伴生涡都相应改变,导致流体自搬运效率发生相应变化。研究结果对解决微流控润滑和微流控芯片减阻防粘等设计和使用问题具有重要理论指导意义,对微电子机械系统的小型化和集成化设计具有一定的参考价值。     

纳米尺度Poiseuille流动中气体黏度的分子动力学研究

受壁面作用和稀薄效应等的影响,微纳尺度通道内的气体流动有别于宏观流动现象.采用分子动力学方法,研究纳米通道中气体的Poiseuille流动,主要对通道内气体黏度特性进行了分析.利用牛顿粘性定律,定义了气体的当地等效黏度.根据模拟结果,可将纳米通道内气体划分为中心区和近壁区两个部分,中心区气体当地黏度与宏观黏度一致,但是在近壁面区,气体受到壁面原子的作用,气体的当地黏度小于宏观黏度值.研究发现:1)不同的气体密度、流固作用势能以及温度下,通道中心区域的气体当地等效黏度均符合对应温度和压强条件下的气体宏观实测黏度值;2)在纳米尺度气体流动中,气体密度越小,稀薄程度越高,气体偏离热力学平衡态越远,所以壁面对气体等效黏度的影响随密度的减少而增大,壁面影响厚度也随之增大;3)气体黏度的壁面影响厚度在10 nm量级,该厚度不随温度和流固作用势能的变化而变化,但是密度越小,壁面影响厚度越大.     

微注塑成型充模流动中的表面张力EI北大核心

微尺度通道中的高聚物熔体流动行为与宏观熔体流动有许多不同。基于对微注塑成型中的熔体充模流动特性的理论分析,建立了微小通道中熔体流动的表面张力模型,并以不同的表面张力系数和不同接触角,对矩形微通道中的熔体流动速度分布进行了数值模拟。结果表明,接触角小于90°时,熔体在通道壁面附近具有最大速度;接触角大于90°时,熔体在壁面处具有最大速度。无表面张力时,熔体填充流动所需时间明显长于有表面张力时的填充时间,即表面张力对微小通道中的熔体流动具有促进作用。     

微注塑成型充模流动中的表面张力

微尺度通道中的高聚物熔体流动行为与宏观熔体流动有许多不同。基于对微注塑成型中的熔体充模流动特性的理论分析,建立了微小通道中熔体流动的表面张力模型,并以不同的表面张力系数和不同接触角,对矩形微通道中的熔体流动速度分布进行了数值模拟。结果表明,接触角小于90°时,熔体在通道壁面附近具有最大速度;接触角大于90°时,熔体在壁面处具有最大速度。无表面张力时,熔体填充流动所需时间明显长于有表面张力时的填充时间,即表面张力对微小通道中的熔体流动具有促进作用。     

微通道内流动沸腾的研究进展

微通道内的流动沸腾在能源、电子冷却、生物医疗等高新技术领域有着广泛的应用.对微通道内流动沸腾的研究进展进行了综述,研究工质涉及到水、制冷剂、液氮等,内容包括微通道与常规通道的划分,微通道的传热特性、临界热流密度、压降特性、主要流型以及流型转变、不稳定性的主要形式及产生机理等.同时指出了微通道内流动沸腾进一步的研究工作.     

脉管内粗糙度对气体热动力特性影响研究

脉管制冷机在很多领域应用广泛,但脉管内部气体热动力特性的影响因素缺乏研究。采用分子动力学的方法,建立三种不同类型的通道,模拟脉管内部气体流动的热动力过程,研究壁面粗糙度、通道形状对脉管内气体流动温度场的影响。结果表明:粗糙元高度增加时,壁面摩擦导致的热量使得温度提高;通道形状导致的摩擦也会使得温度场温度上升,两者均不利于脉管的冷端制冷。粗糙元对冷端温度的影响比通道形状更加突显。系统压力也会影响冷端温度,随着系统压力的升高,冷端温度下降。     

横置正弦型凹穴微通道中超临界LNG流动传热特性研究

为强化印刷电路板式换热器(PCHE)中超临界LNG强化换热特性,基于处理表面强化换热技术,提出一种正弦型凹穴矩阵微通道模型,并对超临界LNG在其内部流动换热特性进行数值模拟研究。研究了不同凹穴结构阵列微通道流动换热性能和入口质量流量、正弦型凹穴高度和重力对范宁摩阻系数、对流传热系数及综合换热评价因子的影响,最后引入壁面平均涡强对正弦型凹穴局部流动与换热机理分析。结果表明:正弦型凹穴能够强化超临界LNG换热特性,换热效果与入口质量流速成正比,且环向横置阵列优于环向竖置阵列;凹穴高度增加,微通道中流动传热系数也随之增大;通过对比施加不同方向的重力对通道的流动换热影响,施加逆流方向的重力可以强化正弦型凹穴微通道的流动换热特性;结合综合换热评价因子分析,正弦型凹穴能够显著强化通道流动换热性能,并且凹穴高度0.2 mm阵列微通道换热性能最佳;通过壁面平均涡强分析正弦型凹穴通道局部流动换热机理,其能够产生强力漩涡使边界层变薄,对主流区域恶化程度低,能够加速热量由壁面向主流区传递,实现微通道表面强化换热。     

微注塑成型流动中熔体壁面滑移的研究

基于宏观熔体流动的基本理论及其流动过程中壁面滑移机理的分析,针对微注塑成型模具中熔体充模流动时的壁面滑移行为,建立了微小通道中高聚物熔体流动的壁面滑移理论模型。并用数值模拟方法,对不同滑移系数时微小通道中熔体的壁面滑移对流动速度、熔体压力等的影响进行了研究。结果表明,微小通道中的壁面滑移可使壁面处熔体的流动速度增加,压力损失减小,有利于熔体的充模流动。     

微通道正弦型底面结构对局部流动和传热特性的影响

为研究微通道的正弦型底面结构对流动和传热性能的影响,设计了5种正弦型底面结构的微通道,并采用数值模拟方法研究其在不同雷诺数下通道内局部流动情况和传热性能。结果表明,正弦型微通道内存在二次流;正弦型微通道内局部压力、泊肃叶数、壁面温度和努塞尔数沿着流动方向都出现波动的趋势,但后两者较平缓。在所研究的雷诺数范围(230～1 060)内,正弦型微通道平均泊肃叶数随着雷诺数增大而增大;部分正弦型结构微通道在雷诺数不大于600时,平均努塞尔数略低于光滑通道,说明传热效果有所降低;在雷诺数大于600时,所有正弦型通道的平均努塞尔数大于光滑通道,表明传热效果较好。     

纳米尺度通道中气体粘度的分子动力学模拟

利用非平衡分子动力学方法模拟了气体在纳米尺度通道中的运动特性,统计获得通道中流动的速度剖面和剪切应力分布,并利用牛顿粘性定律首次获得了纳米尺度通道中的等效粘度分布。结果表明,纳米尺度通道中的粘度不是一个常数。在壁面附近,由于壁面原子和气体分子的相互作用,存在壁面效应,气体的粘度较小;而通道中心区域的粘度与实验结果符合较好,壁面对粘度的影响范围为20 nm左右。通道高度对中心区域粘度的影响很小,而温度对其的影响较大,粘度值随温度的增加而增大。不同通道高度下,壁面附近粘度的分布几乎一致;不同温度时,壁面附近粘度的分布随温度的增加而增加。     

微通道气体流动特性研究进展

微机电系统内部存在微尺度流动现象,伴随微机电系统出现的微流量系统目前已广泛应用于气体微流控领域.研究微通道气体流动特性能够为微机械结构设计提供理论指导.在对气体流动尺度划分分析的基础上,阐述了各尺度流动特征及流动模型.重点调研了国内外微直通道和非直通道中充分发展段及进出口区域气体流动阻力特性,并对微尺度流场可视化实验方...     

负压低温板翅式换热器锯齿翅片性能的数值模拟研究

换热器在低温工况下的流动换热性能与常温工况下有明显差异.为分析负压低温工况下板翅式换热器关键结构参数对流动换热性能的影响,构建并完善了锯齿翅片通道内流动换热性能的数值模型.采用中心复合设计方法得到实验点并结合Kriging响应面方法,拟合得到了负压低温氦气在锯齿翅片通道内的流动传热关联式.研究结果表明:j因子与间距、厚...     

多孔泡沫金属填充的通道型正压标准漏孔漏率的数值模拟北大核心CSCD

针对同类通道型正压标准漏孔在不同工况下漏率的机理问题,将多孔泡沫金属填充于通道型正压标准漏孔中并建立数学模型。采用数值模拟的方法分别分析了不同工况条件下对通道型正压标准漏孔漏率的影响,同时给出泡沫金属内部速度场分布。结果表明,在恒定的气源压力下,与Air、He以及D2相比,H2获得的漏率最大;漏孔的漏率随气源压力的增大而增大;对于恒定的孔径或孔隙率条件下,通道型正压标准漏孔的漏率随着孔径或孔隙率的增大而增大,随通道型正压标准漏孔长度的增加而降低;非线性变化孔隙率能够有效改善并控制漏率的大小。该项研究对正压标准漏孔的生产和发展、计量方面的检漏工作,以及控制漏率来优化和设计密封系统性能方面提供了有价值的参考意义。     

非均匀热流下细小通道内相变微胶囊悬浮液传热特性

相变微胶囊悬浮液(MEPCMS)作为一种新型功能性热流体，在热管理、储能等诸多领域极具发展潜力。本文采用离散相模型(DPM)研究非均匀热流下细小水平矩形通道内MEPCMS的传热特性。结果表明：悬浮液中颗粒相变能够强化传热，在热流密度分布为9-5-5 W/cm²、进口流速为0.40 m/s、质量分数为10%时，悬浮液最高能够使壁面和流体温升分别降低8.79%和15.14%。热泳作用使颗粒在流动过程中会向低温区域迁移。与均匀热流条件相比，局部热流的分布会影响该区域及后边区域的传热特性。随着进口流速和质量分数提高，流体对壁面的冷却效果增强，同时进出口压降增加。     

结霜工况下微通道蒸发器制冷剂分布特性

为研究结霜对微通道蒸发器内制冷剂分布特性的影响,本文提出了一种制冷剂分布参数(RDP)的评定方法。采用红外热成像及数字图像处理技术,测量结霜工况下微通道蒸发器内制冷剂分布。结果表明:随着蒸发器表面霜层厚度的增加,蒸发器内过热区逐渐缩小,两相区制冷剂分布更加均匀。实验180 min时比实验60 min时制冷剂过热区缩小22.7%,RDP提高17.2%,换热量降低2.34%。研究结果为结霜工况下微通道蒸发器制冷剂分布特性提供了定量测量方法。     

低温流体在竖直通道中降膜蒸发研究进展

降膜蒸发作为一种高效传热传质技术,已经在空分领域得到了应用。本文介绍了空分膜式主冷凝蒸发器的原理和特点,从波状特性和破断特性方面阐述了下降液膜的动态特性,总结了入口流量、壁面结构、工质组分和热流密度因素对传热传质的影响,重点介绍了低温液氮在大空间平板上降膜过程的临界热流密度规律和过热壁面再湿润动态特性,并对现有竖直通道内降膜蒸发过程换热关联式进行了归纳。由于低温工质物性和通道结构的特殊性,已有的常温工质换热关联式应用于空分膜式主冷凝蒸发器的传热设计还存在较大差距。最后指出小传热温差条件下,复杂狭窄通道内低温流体降膜蒸发过程需要进一步研究。     

微通道换热器结霜特性研究现状与展望

微通道换热器在低温工况下用作蒸发器时存在结霜速度较快的问题,制约了其在制冷系统的应用。针对微通道换热器的结霜现象,本文归纳了影响微通道换热器结霜特性的因素、改善微通道换热器结霜特性的方案和微通道换热器结霜的相关仿真研究,介绍了微通道换热器结霜特性的研究现状和方向,发现目前影响微通道换热器结霜特性的因素主要分为:外部因素(环境参数、表面温度、凝水),结构因素(换热器布置方向、翅片结构、翅片密度、涂层、结垢)和内部因素(制冷剂分布)。改善微通道换热器结霜特性的研究集中在调整翅片的结构以实现更好的排水性能和更均匀的霜层分布,未来研究的重点在于开发抑霜性能更好的微通道换热器和建立更高精度的仿真模型。     

冷压缩机用多级连接管路的数值模拟

多级串联冷压缩机系统是大型超流氦低温系统关键部件,其每一级冷压缩机的性能同时受前后管网流动影响较大。为探究管路特性影响,结合实际系统中冷压缩机间低温连接管路的结构,建立了流-热耦合分析仿真模型,重点研究了管路内粗糙度、旋度流动特征及波纹管结构特征对气体流动特性的影响。结果表明管路粗糙度和流体旋度的变化会显著引起管路内总压的损失,同时分析得出波纹管的波节数和导流筒结构对管路内氦气流动的影响规律。