四叉树网格下水动力及物质输运数值模拟研究进展

为了掌握水体的水流变化及污染物质的输运规律及精确模拟、复演和预测水环境质量时空变化过程,基于四叉树网格生成技术,系统梳理了四叉树网格在水动力和物质输运模拟方面的研究进展及实际应用,总结了现阶段四叉树网格研究过程中存在的不足,并展望了未来的研究方向,为湖泊、河口及近海工程中流场和物质输运的模拟提供了参考。     

低雷诺数下液体的微尺度流动与传热

针对低雷诺数下单相水流经矩形微通道时的流动特性和换热特性进行了试验和理论研究。试验工质为去离子水，微通道宽度为50μm，高度为200μm，雷诺数2．3～15．6。试验结果表明，在低雷诺数下的流动特性和传统理论存在偏差：矩形微通道实验压降值与阻力系数均大于传统理论值的预测，阻力系数的最大偏差为7．9％；Poiseuille数比传统理论预测值大6％；但当热流密度为2．5～15W／cm^2时，换热特性的试验结果与传统理论较为吻合。     

电容层析技术在旋风分离器及料腿中固体颗粒浓度、速度和流量测试中的应用

采用先进的电容层析成像技术和相关分析理论，对常温下旋风分离器及料腿中固体颗粒的浓度、速度和流量进行测试研究。浓度分布采用单层电容传感器，速度分布采用双层电容传感器得出相关流动信号，利用相关理论分析得出速度和流量。这种测试方法的优点在于不破坏原有实验系统的运行特性，属于非侵入式、在线的快速测试技术，能同时得出固体的断面浓度分布和流量。实验结果与称重计量测试结果吻合良好，说明电容相关技术测量流量的可行性和可靠性。图10表3参15     

沿垂直壁面气-液降膜流动传质过程的数值研究

在考虑气-液两相间质量源项和能量源项的条件下,基于VOF算法,建立了水和空气沿竖直平板壁面两相降膜流动传热传质的CFD模型。利用该模型研究了水和空气两相间的传质特性,分析了液膜波动、进气进液速度以及温度对传质的影响,计算结果表明:一定程度的液膜波动、进气速度和进液速度的提高、气-液之间的温差的增加,都能强化气-液之间的传质过程。     

DSMC Simulation of Non-Premixed Combustion of H2/O2 in a Y-shaped Microchannel

Combustion at the microscale shows an immeasurable potential in the fields of energy utilization and microelectromechanical systems (MEMS) due to its novel combustion characteristics. Studying the mechanism of this kind of combustion is of great significance for deepening the understanding of microcombustion phenomena and designing related devices. In this article, the non-premixed combustion of H₂/O₂ in a two-dimensional Y-shaped microchannel with a height of 10 μm was numerically studied using the direct simulation Monte Carlo (DSMC) method. The total collision energy (TCE) model and a kinetic mechanism including six species and seven reversible reactions were employed. Predicted distributions of velocity, temperature, heat flux, and components inside the microchannel are presented and analyzed. Influences of the Knudsen number and wall surface conditions on the combustion characteristics are discussed. The results show that the exothermic reaction mainly takes place in the junction area of the branch channels and in the first half of the main channel, and the wall heat flux at the microscale is much higher than that at the conventional scale. This is helpful to effectively heat and ignite the gaseous H₂/O₂ mixture. Moreover, the conversions and distributions of individual components in the flow field are mainly controlled by the chemical kinetics; the Kn number and different wall conditions have a sophisticated influence on the combustion process.     

T型微通道液滴/气泡生成时间和大小的研究现状

利用微流体机械可以生成更均匀、大小可调的微液滴/气泡。文中分析了T型微通道生成微液滴/气泡的典型流型以及过程中的主要受力、微液滴形成/破碎过程的典型阶段以及相关的影响因素,总结了现有的利用力平衡方法预测微液滴/气泡大小的关系式,为有效控制T型微通道内微液滴/气泡的生成时间以及最终的体积,形成一种稳定的多相流流动提供了参考。     

气固两相流在可调煤粉燃烧器中流动的数值模拟

本文采用CFD的方法对燃烧器内气固两相流场进行模拟分析,即利用计算流体力学软件提供的离散相模型对燃烧器内流场中的固体颗粒的轨迹进行了模拟,采用RNG κ-ε方程模型和随机轨道模型,对气相流动以及气固两相的耦合采用SIMPLE算法进行计算,从而定性的分析固体颗粒在燃烧器内的运行轨迹.     

水平风作用下火羽流的质量流率

在理想羽流和横流中射流思想的基础上,考虑水平风的影响,提出一个预测有风条件下羽流质量流率的理论模型.模型把羽流发展分成势流核心区、羽流弯曲段和顺流贯穿段3段,并假设有风条件下羽流截面形状仍然为圆形,垂直方向上横截面尺寸(半径)与高度为指数函数关系.采用量纲分析,获得水平风作用下非受限空间羽流质量流率理论公式,通过CFD...     

转底炉内温度场及流场的数值模拟

利用Fluent软件建立了转底炉炉内温度场及流场的数学模型,采用κ-ε模型,辐射模型,非预混燃烧模型模拟炉内的辐射传热和湍流流动,分析了烧嘴和助燃风喷嘴的选择与布置对炉内的温度及速度分布的影响.结果表明,转底炉预热段与加热段采用炉顶布置平焰烧嘴供燃料,炉膛下部布置喷嘴供助燃风能获得很好的温度场和流场来满足工作需要;还原段选择蓄热式烧嘴供给燃料,即满足了高温还原的温度要求,也达到充分回收利用烟气余热的效果.     

混流式水轮机全流道三维非定常流场数值模拟

基于三维时均N-S方程和RNGk-ε双方程湍流模型,采用滑移网格模型进行了混流式水轮机全流道动静干扰的三维非定常湍流计算,捕捉了水轮机各过流部件内复杂湍流场分布和尾水管内涡旋结构等流动信息随时间的变化情况.计算结果表明,水轮机中的水流处于复杂的湍流运动状态,随时间推移变化剧烈,计算结果更接近实际流场分布.     

某双级跨音速燃气透平全三元粘性流场的数值分析

求解了某双级跨音速燃气透平的全三元粘性湍流流场,计算结果表明用基于有限体积法的数值模拟方法求解多级跨音速透平粘性含激波流场结果合理,数值计算具有较高的效率。在分析了各排叶片叶型的主要气动特性基础上,认为该透平总体承载能力比较合理。     

合金枝晶生长及微细界面热质传递模拟

利用元胞自动机法(CA)耦合对流和热质传递模型模拟了Al-Cu二元合金微观组织在多种影响因素下的二维生长过程,分析了枝晶凝固、微界面热质传递以及微流动等微细现象之间的相互作用,得到了单枝晶以及多个枝晶在微流作用下的生长规律。模拟结果表明:(1)枝晶凝固过程中溶质富集于生长前沿。随着枝晶生长,凝固前沿远离冷源,枝晶尖端温度逐渐增大,而浓度逐渐变小;(2)流动对于枝晶的生长有着重要影响。流动破坏了枝晶生长的对称性,下游溶质浓度大于上游,枝晶在上游方向优先生长,而在下游方向有所抑止;(3)多个枝晶生长时,枝晶彼此间有阻碍生长的作用,二次枝晶臂的形成相对减少,枝晶间几乎不存在微流动。     

Numerical Simulation of Bubble Growth and Heat Transfer During Flow Boiling in a Surface-Modified Microchannel

Flow boiling in a microchannel without or with surface modifications, such as fins, grooves, and cavities, has received significant attention as an effective cooling method for high-power microelectronic devices. However, a general predictive approach for the boiling process has not yet been developed because of its complexity involving the bubble dynamics coupled with boiling heat transfer in a microscale channel. In this study, direct numerical simulations for flow boiling in a surface-modified microchannel are performed by solving the conservation equations of mass, momentum, and energy in the liquid and vapor phases. The bubble surfaces are determined by a sharp-interface level-set method, which is modified to include the effect of phase change at the liquid–vapor interface and to treat the no-slip and contact-angle conditions on immersed solid surface of microstructures. This computation demonstrates that the surface-modified microchannel enhances boiling heat transfer significantly compared to a plain microchannel. The effects of various surface modifications on the bubble growth and heat transfer are investigated to find better conditions for boiling enhancement.     

不同流道质子交换膜燃料电池内传质过程的数值模拟

对采用交指型流场的质子交换膜燃料电池阴极建立了二维数学模型,利用计算流体力学的方法,模拟和研究了质子交换膜燃料电池阴极内的流动和传质过程.分别探讨了采用交指型流场和平行流场时气体在阴极扩散层中的传递机制及各组分浓度分布的特性,为燃料电池流场的设计与分析提供了参考依据.     

蜂窝汽封流场及泄漏特性的数值模拟研究

建立了蜂窝汽封三维流场数值模型,系统地分析了蜂窝孔径尺寸、蜂窝高度、入口压力等结构与运行参数对汽封流场及泄漏特性的影响.计算结果与分析表明,在运行参数不变的情况下,降低蜂窝孔径大小或增加蜂窝高度都有利于降低汽封泄漏量,提高密封效果.而在结构参数不变的情况下,汽封泄漏量随入口压力增大而增加,而随旋转速度增大出现减小的趋势.     

空调房间送风射流与回风气流相互作用的数值模拟

以工程中广泛采用的k-ε二方程湍流模型为基础,运用计算流体力学的有限容积法对空调房间送风射流与回风气流相互作用对室内气流组织的影响进行数值模拟,给出不同的送风形式在不同场所的适用性及特点,为室内气流组织的设计与研究提供一定的理论依据。     

动网格技术在罩式炉流场模拟中的应用

利用动网格技术和流体力学的基本原理,通过计算机模拟罩式炉内保护气体的流场分布,在炉内流场达到稳定状态下,比较循环风机不同转速时气体流量的变化。计算结果表明气体的流量与风机转速呈线性关系,风机进出口的气体的压力与风机转速呈二次方关系,与理论公式一致,说明该方法是可行的。进一步运用该方法对罩式炉流场进行数值模拟,得出在风机转速为1700r/min下罩式炉内不同区域流场分布,结果显示沿罩式炉高度方向无论在钢卷的芯部还是外侧,循环气体的流速沿高度方向衰减,外侧最大气流速度从7.12m/s衰减为2.32m/s,芯部最大气流速度从17.29m/s衰减为3.34m/s。     

阵列射流冲击冷却流场与温度场的数值模拟

采用数值模拟方法对冲击冷却的流动和传热过程进行了三维数值研究。特别研究了在冲击孔叉排方式下,相邻孔间距、冲击距离以及射流入口雷诺数对冲击表面冷却流动传热特性的影响规律。     

旋风除尘器内三维流场的数值模拟

文中建立了用于旋风除尘器模拟的计算模型,并数值模拟了旋风除尘器内部的流场运动情况,预测了复杂流场中影响颗粒分离效率的因素,为旋风除尘器流动机制的研究和进一步结构优化设计提供了参考依据.     

Numerical Simulation of Bubbles Deformation,Flow, and Coalescence in a Microchannel Under Pseudo-Nucleation Conditions

This paper reports the results of numerical study on bubbles deformation, flow, and coalescence under pseudo-nucleate boiling conditions in horizontal mini-/microchannels. The numerical simulation, which is based on the multiphase model of volume of fluid method, aims to study the corresponding flow behaviors of nucleate bubbles generated from the tube walls in mini-/microchannels so as to understand the effect of confined surfaces/walls on nucleate bubbles and heat transfer. Under the pseudo- or quasi-nucleate boiling condition, superheated small vapor bubbles are injected at the wall to ensure that the bubbles generation is under a similar condition of real nucleation. The numerical study examined the fluid mechanics of bubble motion with heat transfer, but the mass transfer across the bubble–liquid interface is not simulated in the present work.