混沌对流强化传热的场协同分析

基于采用周期性计算模型得到的混沌对流流道内的流体流动与传热数值计算结果,应用场协同原理,对混沌对流内强化传热进行分析.分析了混沌流道截面上流场与温度场的协同关系,讨论了流道内不同雷诺数下Nusselt数与平均流速与温度梯度矢量积和平均协同角的对应变化趋势,并与普通直流道内层流下的流动与传热场协同情况进行了对比.结果表明,混沌流道改变了流体在流道内速度场的分布,流场的变化影响了温度场的分布,使得两场的协同效果得到明显的改善,从而强化传热.在整个流道内,混沌对流的Nusselt数与速度和温度梯度两矢量的点积具有相同变化关系,混沌对流强化传热的根本机理是改善了两场的协同关系.     

非牛顿流体边界层减阻流动研究

研究了四常数Maxwell-Oldroyd模型非牛顿流体边界层流动,给出了边界层内速度分布数值解,以及边界层厚度、摩阻系数沿程变化关系。为探讨高分子稀溶液管内流动减阻提供了理论依据。     

旋流片内插缩放板的强化传热数值模拟

对旋流片插入平行缩放板的传热与流阻性能进行了数值模拟研究．结束表明：旋流片产生的螺旋流能够减薄边界层,增加流体的湍流度,从而进行强化传热．在19000〈RP〈36000时,局部努赛尔数和阻力系数都沿着流体流动方向减小,而局部综合传热因子的变化趋势是先增大而后降低．数值模拟结果还表明,与空的平板相比,在缩放板内插旋流片流道中速度与温度梯度夹角的余弦值变大,速度场和温度场的协同程度有所增大．     

通海阀内流道优化降低流噪声

针对船舶、潜艇海水管路系统中阀门引起的流噪声问题,采用计算流体力学通用软件Fluent对实际使用中的通海阀内流场分布进行仿真计算,根据该可视化结果分析影响通海阀性能和产生噪声的原因,对通海阀的结构进行改进,提出了一种新型内流道结构.该内流道,可有效降低阀内最低压力、提高阀内最高速度、降低阀内最高湍动能、消除漩涡,能够从根本上降低阀门流噪声.同时为高压通海阀提供一个安全、流畅的内部通道,并对通海阀结构以及流道的优化设计提供指导性建议.     

纵向涡发生器强化传热研究进展与展望

对通道内布置纵向涡发生器强化传热与流动减阻的研究进展进行了评述,指出了进一步深入研究的方向,主要包括:1)通过系统的实验研究和理论分析研究诱导涡的产生和发展过程,研究流动结构的控制与增强传热和流动减阻的作用机理;2)利用LES或DNS方法进行涡发生器强化传热数值模拟,或发展更先进的湍流模型;3) 引入场协同原理分析纵向涡发生器对湍流拟序结构的控制、进而分析强化传热的机理.     

无阀压电微泵用平面锥管内部流动附壁效应

为研究锥管内流体流动中产生的附壁效应对其流阻系数的影响,采用数值模拟的方法对平面锥管内部流动附壁效应进行研究.结果表明:雷诺数Re在300~3000,锥管角度在5~40°时,扩散方向流动可以分为3种状态,即稳定状态、附壁状态和射流状态.锥管角度为10~35°时,锥管内流动易于发生附壁效应.Re在300~1 200时,稳定状态扩散流阻系数随着扩散角的增大迅速降低;附壁状态扩散流阻系数随着扩散角的增大缓慢增大;射流状态扩散流阻系数随着扩散角的增大而缓慢降低.Re在1 800~3 000时,附壁状态扩散流阻系数在锥管角度为30°时达到最大值.流阻系数比在稳定状态和射流状态下基本不变,在附壁状态下随着扩散角的增大迅速减小.     

用CFD方法模拟膜生物反应器内部流场及布气优化

采用Eulerian多相流模型对膜生物反应器进行气液两相流数值模拟,对“对齐”和“对齐导流”两种反应器构型内部流场气含率、速度场和膜面液体流速进行了分析比较,并就布气方式进行了分析和优化,同时借助缩小实验模型对模拟结果进行了实验验证.结果表明：两种反应器构型流场内的气泡呈现出汇集于膜组件中心位置,然后在膜组件顶端散开的流动状态;导流作用对反应器内气含率分布的影响不大,但对速度场分布特性影响显著;体积缩小100倍的对齐导流模拟装置中的气液流动状态与CFD模拟结果基本一致;通过对布气方式的优化模拟发现,不均匀布气方式可以改善气体分布状况,提高反应器内气含率和流场的湍流强度.     

圆管内高聚物湍流减阻流动特性研究

高聚物湍流减阻可降低传输过程中的流动阻力和能耗,研究其减阻特性具有工程应用价值。文章采用等效黏度模型和湍流模型,利用计算流体力学方法建立三维模型,结合减阻参数,模拟了流动速度和高聚物浓度等影响高聚物减阻的主要因素,分析了管道内湍流减阻的流动特性及减阻规律。结果表明：圆管管道内高聚物湍流减阻率随减阻参数的增大而增大,其最大减阻率约在50%处,而后减阻效果降低,且管道内流速越大,减阻效果越好;管道中雷诺应力分量、湍动能、涡黏系数、湍流涡耗散随减阻参数的增加逐渐降低,当减阻参数为28时,高聚物湍流减阻效果最好。     

三维锥形动脉中脉动流的数值模拟研究

在正常生理脉动流下,运用计算流体力学方法和血流动力学的基本原理,对三维渐缩锥形弯曲动脉内血液脉动流进行数值模拟和可视化分析.计算获得了具有锥度角的弯曲动脉内血液流动在心动周期内不同时刻的压力分布、速度分布.通过对弯曲动脉及其形成局部狭窄后,管腔内的血液流速和压力分布的研究,为动脉粥样硬化的成因及排除方法的研究提供更可靠的理论依据.结果表明,锥度角和动脉管壁的曲率变化对非定常状态下的脉动流的压力、速度分布、血流的局部能量损失的影响很大,这与实际情况相符.     

应用离散型协同射流的翼型增升减阻研究

连续型和离散型协同射流是一种新型的翼型近壁面流动控制技术,相比之下,离散型能够更为高效地对流动进行控制。为探究离散型协同射流能耗更低、效率更高的原因,通过数值模拟方法重点研究了施加离散型协同射流的翼型流动控制效应与规律。计算结果表明在相同喷口动量系数下,与连续型相比,离散型最大升力系数提高9.2%,阻力极大减小;消耗相同功率时,离散型减阻效果明显高于连续型,零度迎角时阻力约小35%,翼型升阻特性提升更加显著。对流场的详细分析表明,离散型协同射流同时在流向和展向产生相干涡结构,使高速度的射流与主流以及边界层充分混合,因此离散型协同射流具有更好的翼型增升减阻效果和更高的能量利用率。     

A prediction of drag reduction by entrapped gases in hydrophobic transverse grooves

The drag reduction effect of super-hydrophobic surface induced by the entrapped gas is unstable due to the gradual disappearance of the trapped gas. In this paper, a hydrophobic transverse grooved surface was designed to sustain gas in valleys. A detail numerical simulation was presented to investigate the flow field near the proposed surface. When water flowed over this surface, the entrapped gas was blocked by the ridges and the solid-liquid interface was replaced by the liquid-gas interface due to the entrapped gas, furthermore the micro-vortex formed in the groove. Because there was an effective slippage between water and solid induced by the entrapped gas, the velocity gradient of boundary layer decreased, which contributed to a remarkable drag reduction effect. Additionally, considering the extra undesired pressure drag reduction which negatively impacted the drag reduction effect of this method, the total drag coefficient including the viscous drag coefficient and the pressure coefficient was analyzed. An effective drag reduction rate of about 15% was achieved and the effect of this method was confirmed by experiments conducted in a high-speed water tunnel when grooves were optimized.     

凹槽内剪切流动特性对滑动减阻的影响

为了揭示凹槽内部剪切流动特性对滑动减阻效果的影响,利用静、动滑动摩擦因数测试系统和计算流体力学方法,理论、实验和数值模拟研究了凹槽高宽比(e=0.5、1.0、2.0、3.0)、凹槽几何尺寸、壁面运动速度等因素,对凹槽内的剪切流动特性及壁面滑动减阻效果的影响.研究发现,凹槽结构增加了润滑油滑动减阻效果,凹槽几何结构对减阻效果有明显影响,当凹槽宽度L、深度H均为2 mm时,凹槽的减阻效果相对较好,且壁面运动速度对其剪切力减小率fτ的影响较小.此外,凹槽尺寸、壁面滑动速度对凹槽内流场特性有重要影响,不同工况下凹槽内部存在上下2个涡或者1个大涡和2个边角涡.结果表明:凹槽内的剪切流动特性对滑动减阻效果有重要影响,并可为滑块表面凹槽结构设计提供重要的指导.     

圆管管束特性试验及协同分析

为分析前排绕流扰动对后排管换热及阻力的影响规律,以4列多排（2～10）管束为研究对象,建立稳定的热态流场,采用错列及顺列2种方式,分析传热及流动特性在不同管排数下的变化规律;定量分析管排数对阻力特性的影响规律,定义了管排阻力修正系数,并根据实验数据给出了其在不同管排数下的取值;根据场协同理论定义了相对场协同率的概念,用以表征不同管排数下其总体换热效率相对实际最大换热的比值。研究结果表明,管间绕流为管束换热器管排影响规律的主要原因,10排及以上管束流场均匀,管间绕流影响最小,场协同角较小,10排以内采用管排系数进行修正。     

Analysis of heat transfer performance for turbulent viscoelastic fluid-based nanofluid using field synergy principle

In this paper,the field synergy principle is firstly performed on the viscoelastic fluid-based nanofluid and other relevant fluid in channel at turbulent flow state to scrutinize their heat transfer performance based on our direct numerical simulation database.The cosine values of intersection angle between velocity vector and temperature gradient vector are calculated for different simulated cases with varying nanoparticle volume fraction,nanoparticle diameter,Reynolds number and Weissenberg number.It is found that the filed synergy effect is enhanced when the nanoparticle volume fraction is increased,nanoparticle diameter is decreased and Weissenberg number is decreased,i.e.the heat transfer is also enhanced.However,the filed synergy effect is weakened with the increase of Reynolds number which may be the possible reason for the power function relationship in empirical correlation of heat transfer between heat transfer performance and Reynolds number with the constant power exponent lower than 1.Finally,it is also observed that the field synergy principle can be used to analyze the heat transfer process of viscoelastic fluid-based nanofluid at the turbulent flow state even if some negative cosine values of intersection angle exist in the flow field.     

Analogy Theory and Application of Pressure Difference of Wind Turbine Blade Profile

风力发电叶片翼型型线理论及应用

张照煌,Aqeel Muhammad,张峻,刘青,李魏魏,宋玉旺

（华北电力大学 能源动力与机械工程学院 ,北京 102206）

中文说明：

经研究发现,在流动空气与风电叶片相互作用规律的过程中,真空中自由下落的空气团的形态与前后压差作用下流动的空气（风）非常相似;因此,本文提出以重量比拟压差设计风电叶片翼型型线的理论,即：空气团流过风电叶片翼型线的时间最短及应有尽可能多的空气团作用于该翼型线;以此为基础,本文推导出风电叶片翼型型线方程并进行了应用研究;通过从现有翼型库中选取三种相似翼型进行模拟对比,结果表明用本文建立的风电叶片翼型线方程设计的翼型线翼型(“SJX翼型”)在攻角变化时的升力及升力系数较所选取的三种翼型有较大的提升,翼型生阻比亦有小幅提升,且流动空气作用在气动中心的力矩均较大,验证了论文建立的风电叶片翼型线方程设计翼型型线的可行性和有效性,从而为风电叶片翼型型线设计理论的发展提供了新尝试和有益借鉴。

关键词：风力发电叶片;重量比拟压差;翼型型线;生阻比;翼型设计

     

运动参数对回转体倾斜入水流场特性影响

为分析回转体低速倾斜入水过程中入水空泡形态及流体动力特性演化规律,基于Fluent流体计算平台,并利用动网格技术,针对小型回转体以不同入水速度和入水角度的倾斜入水过程开展数值仿真研究.数值仿真结果与试验结果良好一致性,证明了文中数值仿真方法的正确性与有效性.基于该数值仿真方法,针对不同入水速度和不同入水角度回转体低速倾斜入水过程流场特性进行分析.数值计算结果表明:在距离自由液面相同位置处,回转体倾斜入水产生所产生的入水空泡,其直径随着入水速度的增加而小幅增大,随着入水角度的增加而减小;入水速度对流场中压力分布规律有较大影响,在同一入水深度处不同入水速度回转体入水过程中流场的最大压力随着入水速度的增加而增大;入水角度对回转体附近流域的最大压力影响较小,但最小压力随着回转体入水角度的增加而增大;不同入水角度回转体,母线压力峰值位置随着入水角度的增加而逐渐向母线右端点偏移,但其值差别较小;不同入水速度回转体其阻力系数峰值差别不大,不同入水角度阻力系数峰值随着入水角度的增加而增大,但稳定后的阻力系数值随着入水速度的增加而减小.     

仿生射流表面孔径与射流速度耦合减阻特性数值模拟

针对仿生射流表面流场问题,基于非光滑表面减阻的仿生学理论,对鲨鱼鳃裂部位射流特征进行分析研究,建立具有类似于鲨鱼腮裂部位射流特征的仿生射流表面模型及可拓模型.利用SST k-ω湍流模型对仿生射流表面模型进行数值模拟,在主流场速度为20 m/s时,分析了不同射流孔径与不同射流速度耦合情况对壁面摩擦阻力、压差阻力及减阻率的影响,并对仿生射流表面减阻机理进行分析.研究表明在射流孔为5 mm时与射流速度耦合情况下的平均减阻率最大,为11.566%,同时为仿生射流表面多因素耦合情况下的减阻特性研究奠定基础.     

皮卡车外流场的数值模拟

采用CFD进行皮卡车的外流场模拟,得到了车身表面压力分布、尾流典型剖面流速值和尾流流场结构,数值模拟结果与风洞试验结果吻合较好。模拟结果表明,皮卡车尾涡存在于货箱上方和尾挡板后方两个区域。进行了皮卡车几种几何改型的CFD模拟,所得阻力系数变化与实车试验结果有相同的变化趋势,证实了尾挡板的减阻作用。由此得出CFD用于皮卡车外流场模拟,可获得较高的模拟精度。     

A general theoretical principle for single-phase convection heat transfer enhancement

The main methods of single-phase convection heat transfer enhancement are analyzed in this paper, and the unity of contradiction between heat transfer enhancement and energy consumption (or exergy destruction) is expounded. The thermodynamic relationship between heat (or exergy) transfer efficiency and energy consumption (or exergy destruction) as well as driving forces is established, and a general theoretical principle for single-phase convection heat transfer enhancement is further obtained. The principle shows that temperature gradient field distribution and velocity field distribution constrain each other, and that the optimum heat transfer efficiency can be obtained when they are synergetic. If the level of the synergy of temperature gradient field distribution with velocity field distribution is determined, the relative uniform temperature gradient is required, and vice versa. The principle also shows the relationship of relative temperature gradient with specific heat and coefficient of heat conductivity. The deduced results can be used as a theoretical guidance for single-phase convection heat transfer enhancement and optimum design of heat exchangers.     

阀门内流场数值模拟分析研究

文章在讨论阀门流量系数计算原理的基础上,给出了阀门内流场数字模拟分析方法。利用COSMOS/FloWorks实现球阀的流量系数计算分析,计算分析验证了应用CFD技术所计算阀门流量系数的准确性,并揭示球阀内流场压力的分布情况规律,为现实的设计生产提出了一种较为简单易行的计算阀门流量系数的方法。