氮气在泡沫铜内的流动传热特性模拟研究

为探究氮气在多孔介质泡沫铜内的流动传热特性,应用FLUENT软件对低温制冷机冷头换热器中填充的泡沫铜进行数值模拟分析。研究了孔隙率、孔密度以及入口流速对流动、传热的影响规律,模拟结果表明,孔隙率较大、孔密度较小时,渗流性能较好,流体速度衰减较慢;随着孔隙率减小,流体压力损失增大,换热效果提高,但提高的趋势渐缓,因而可能存在压损与温降比值最小的最优孔隙率;孔密度增大,由无滑移壁面引起的压力损失增大,换热性能变差。     

PSA空气分离吸附过程中的压降特性研究

根据PSA分离空气制氧的基本理论，通过对我们自行研制的产氧量为Q＝（1－5）L／min的双吸附柱的小型PSA分离空气制氧系统进行的吸附过程的压力降的计算，分析了影响空气流经多孔吸附介质压降特性的操作参数，分子筛结构参数等重要因素。结果表明：（1）空气流经PSA吸附柱多孔吸附介质的压降随流速的增大而增大，在较低流速范围内（v=0.05m/s-0.1m/s)，流速对压降的影响较小，在流速较高时，流速对压降的影响较大；（2）压降随空隙率的增大而减小，对于较高流速，低空隙率范围内（ε＝0．32－0．4）空隙率对压降影响很大，是影响压降的最主要因素；（3）压降随多孔吸附介质颗粒直径的增大而减小，在吸附介质颗粒直径较小的范围内（d=1.6-2.0mm)这种变化较明显。     

基于CFD-DEM耦合的固定床管式反应器流体流动特性数值模拟

采用计算流体力学(CFD)-离散单元法(DEM)耦合法对催化剂颗粒堆积密度不同的固定床管式反应器内部的流体流动特性进行数值模拟,探索流体在通过床层时速度场、压力场的分布规律。结果表明:增大颗粒下落的初始速度能够增大床层的堆积密度,采用5 m/s的初速度堆积的床层比以自身重力自由填充的床层堆积更多的颗粒,床层的孔隙率减小了6.64%,床层的堆积密度增大了5.48%;堆积密度的增大可使床层的压力降最多增加44.29%,使介质在床层内的停留时间增加,接触时间延长。     

多孔泡沫金属内层流强制对流传热的相界面温差分析

基于简单立方体模型,应用Brinkman-Forchheimer-extended Darcy流动模型并结合边界层理论,分析了边界恒热流条件下的多孔泡沫金属通道内层流强制对流时流体与多孔泡沫金属间的相界面温差,结果表明,相界面温差随着流体流速的增大而减小.随着多孔泡沫金属孔密度的增大而减小,而随着多孔泡沫金属孔隙率的增大而增大.     

超临界CO_2诱导相分离制备聚己内酯三维多孔支架的实验研究

三维多孔支架在组织工程中有重要用途,采用超临界流体技术——超临界CO2诱导相分离工艺制备聚己内酯（PCL）三维多孔支架,研究其可行性及工艺条件对三维多孔支架孔结构及其尺寸的影响。采用自行设计的实验装置,改变初始浓度、CO2压力和温度等工艺参数制备出不同孔径的PCL三维多孔支架。通过扫描电镜观察支架形貌,利用Image-Pro-Plus软件分析支架的平均孔径与孔径分布。结果表明,利用超临界CO2诱导相分离工艺可以制备PCL三维多孔支架,支架的平均孔径在40～80μm之间,孔径分布较好;随着初始浓度的增大和温度的减小,支架的孔径减小;压力对孔径的影响不大。通过对超临界CO2/丙酮/PCL三元体系的相平衡热力学计算,对实验结果进行了定性解释。     

多孔石墨泡沫材料内流动阻力的扩展Ergun方程

近年来,金属泡沫、石墨泡沫等多孔功能材料因具有低密度、高导热、耐高温和耐腐蚀等特点而被广泛关注和研究。为了简化石墨泡沫内流动阻力的预测计算,根据石墨泡沫材料微孔的空间几何结构,对比颗粒填充床流动模型的Ergun型方程,建立面心立方(Face centered cubic,FCC)泡沫模型,以流速、孔隙率和比表面积分别相等则流动阻力相等为假设,推导了多孔泡沫孔径与颗粒床粒径间的对应关系,提出了适用于多孔泡沫介质内流动阻力预测的扩展Ergun方程。用所得方程进行了验证计算,并与数值模拟结果作了比较分析。     

多孔泡沫金属相界面传热系数的研究

基于简单立方体模型并采用翅片理论分析得出了流体在多孔泡沫金属通道内层流强制对流时相界面传热系数的表达式,并在不同条件下研究了流体流速和孔隙结构对相界面传热系数的影响,结果表明,相界面传热系数随着流体流速的增大而增大,随着多孔泡沫金属孔密度的增大而增大,而随着多孔泡沫金属的孔隙率的增大先增大后减小。     

斜分布板对鼓泡流化床流动特性的影响与数值模拟

为了研究斜分布板下颗粒流化特性,将烧结丝网制成的分布板倾斜放置在流化床底部,在一定流化速度下观察床内颗粒的流动状态,发现流化气基本从床层较低的地方射出,有明显的"短路"现象。采用基于欧拉-欧拉方法的双流体气-固两相流模型进行模拟,分布板简化为多孔介质模型,模拟得到的流动特性与实验现象基本一致。保持流化速度恒定,改变多孔介质参数以提高分布板压降,模拟结果表明:随着分布板压降的增大,能弱化短路现象带来的局部流化不利影响,使得床层较为均匀的膨胀。另外,通过比较4种曳力模型,发现斜分布板的起始流化位置基本一样,其中Syamlal O’Brien模型预测的床层膨胀程度相对偏小。     

微管道中Cu-水纳米流体的流动特性(英文)

采用数值模拟和实验相结合的方法,对压力驱动下质量分数为1%的Cu-水纳米流体在直径分别为25μm和50μm且长度不同的微管道中的流动特性进行研究.实验过程中采用两步法制得稳定的纳米流体.研究结果表明,纳米流体的流量-压力特性基本呈线性关系,且流量随驱动压力的增大而增大,其流动特性符合单相流体的假设.但模拟结果与实验结果之间存在一定的差异,主要是由于基液中颗粒的团聚结构、纳米流体黏度的变化、尺度效应和边界滑移等因素造成的.     

凝胶成型法制备多孔羟基磷灰石生物陶瓷及其性能研究

介绍了一种新型的凝胶成型法来制备多孔羟基磷灰石支架材料.利用体视显微镜等对制备的多孔羟基磷灰石孔洞结构进行观察.结果表明这种方法可以很好地控制多孔支架材料的孔洞结构与大小.孔分布均匀且内部连通,孔径在300μm～500μm之间.体外模拟试验表明羟基磷灰石具有良好的生物相容性,这种孔洞结构的特点更有利于骨细胞的生长.对压缩性能和孔隙率的测定结果表明,压缩强度和孔隙率随不同工艺参数的变化而变化.     

吸附介质结构参数对变压吸附性能的影响

通过对我们自行研制的产氧量为Q＝1－5L／min的双吸附柱的小型PSA分离空气制氧系统进行的吸附过程计算，分析了空气流经PSA多孔吸附介质填充床层时，多孔介质结构参数及操作参数对吸附性能的影响。结果表明：1.渗透率随介质颗粒直径的增大而增大，并且随颗粒直径的增加，其对渗透率的影响增加。而压降随多孔吸附介质颗粒直径的增大而减小。2.渗透率与空隙率基本成正抛物线关系，压降随空隙率的增大而减小。3.压降随着渗透率的增大而减小。4.在不同的毛细管截面形状条件下，空隙率和渗透率的影响较小，而颗粒直径对渗透率的影响较大，颗粒直径较大时，这种影响才比较明显，当吸附介质颗粒直径或空隙率一定时，细长条截面的填充方式具有最高的渗透率。5.对于较低流速范围（约＜0.1m/s），流速对压降的影响较小，否则，影响较大。     

电沉积泡沫铜孔径与渗透性能的关系研究

以电沉积方法制备了孔隙率相同的5种不同孔径的泡沫铜,采用统计的方法测得孔径尺寸并通过扫描电子显微镜(SEM)对其结构与形貌进行观察,在PBR-1型渗透性测定仪上测定单向稳态气流通过泡沫铜时产生的压降,计算材料的渗透性能参数及其与孔径间的关系.研究结果表明,在实验流速范围内,流体通过泡沫铜产生压差随流速的变化遵循Forchheimer定律,即压差随流速的增大而增大,与流速呈二次方关系,流动状态属于层流-紊流转捩区,即有局部紊流存在的层流态.实验测算出了5种不同孔径d泡沫铜的渗透性能参数(渗透率K1、惯性系数K2及形状系数f),分析了各参数随孔径d改变的变化趋势,确定孔径与渗透性能间关系的有关参量,获得电沉积泡沫铜在层流-紊流转捩区的孔径-渗透性经验方程,对电沉积泡沫铜的设计、制备及在相关应用领域的应用具有实际意义.     

多孔材料对空腔噪声抑制效果研究

研究马赫数为0.85的条件下,空腔的壁板使用多孔材料对空腔噪声和空腔流动的影响。利用大涡模拟(LES)来预测空腔内的流体流动,考虑到多孔材料对湍流的影响由渗透性损失和内部损失两部分组成,使用Ergun半经验公式来预测这两部分的影响,再结合LES湍流模型可以预测多孔材料内的流体流动。研究结果表明,空腔的前壁、后壁、底板使用多孔材料均可以改善空腔内的流场,并且可以抑制空腔噪声,其中空腔底板使用多孔材料对空腔噪声的抑制效果最为显著,可以使得空腔后部的总声压级降低3 dB以上。     

液氧输送管路气泡生长及流动冷凝过程研究

通过对气泡进行动力学和热力学分析,构建了描述气泡在液氧输送管路中生长及流动冷凝全过程的理论模型。通过编程计算获得了气泡在整个生命过程中的尺寸、温度和运动轨迹的变化情况,预测了气泡的脱离直径和流动冷凝长度,并分析了注气速率和液体流速等热流参数的影响。计算结果表明,在气泡的生长过程中,气泡脱离直径随注气速率的增大而增大,随液体流速的增大而减小。在气泡的冷凝过程中,气泡的流动冷凝长度随注气速率的增大而增大,随液体流速的增大而缓慢增大并逐渐趋于稳定。     

输流管道在分布随从力作用下的振动和稳定性

以Pflüger柱模型和普通输流管道模型为基础,建立了在流动流体和分布随从力共同作用下管道的运动微分方程,并采用Galerkin法进行离散。通过特征值分析,得到了发生发散失稳的临界流速计算公式,以及不同参数下系统复频率随流速的变化曲线。通过Runge-Kutta数值积分法对离散方程组求解,得到了不同参数下管道的位移时程曲线和相图。计算结果表明:分布随从力作用下输流管道发生发散失稳的无量纲临界流速与质量比无关,发生颤振失稳的无量纲临界流速随质量比的增大略微提高;随着分布随从力的增大,发生发散失稳和颤振失稳的临界流速均明显降低;随着质量比的增大,发生发散失稳时管道的位移随时间增加变快,流致振动的振幅增大。在无分布随从力作用和不考虑流体流动两种特殊情况下,所得结果与已有研究一致。     

考虑流体附加质量的输流管道振动特性分析

针对管内流体激励(flow-induced vibrations,FIV)引起的结构振动问题,考虑单向流固耦合作用,通过引入附加质量分析内流流速对结构振动特性的影响。以两端固定支撑输流直管作为研究对象,利用数值方法模拟不同流速下管内的流动状态,获取流体压力系数、湍动能及管道结构位移响应。基于单向耦合振动机理,建立管道流固耦合附加质量模型,采用FEM方法展开结构模态分析,计算流体作用于结构的附加质量和固有频率。数值仿真结果表明:内部流体流速对管道结构振动有较强的耦合作用,流速增加使得耦合附加质量增大,且存在临界流速使管道发生静态屈曲失稳现象。与经验公式对比,该计算结果在10%的误差范围内能更准确地反映流体对结构振动的单向耦合作用。因此,提出的方法能够应用于单向耦合振动问题分析,并为研究流固耦合对结构动力特征影响等管内流动的FIV问题提供思路。     

β型斯特林发动机有限体积建模及热力学分析研究

为了研究斯特林发动机内部腔室流体流动规律,探讨不同工况对斯特林发动机做功的影响,使用基于Fluent流体计算软件的动网格模型模拟活塞和配气活塞的运动,对于回热器,采用层流流态的多孔介质模型,其他腔室使用标准k-ε模型。结果表明,在运行周期内,腔室的局部区域存在多个涡流,这会消耗部分能量,降低热功转换效率;增加充气压力和加热器温度可以有效增加净输出功。     

微柱群多孔介质内部流场的实验研究

用PDMS加工了5个宽2mm、深100μm、长4cm的微通道,其内部充满方形排列的微柱群形成多孔介质模型,采用微流体粒子图像测速仪(Micro-PIV)获得该多孔介质内速度场的分布,在此基础上计算了剪切应力,得到剪切应力场分布及其均方根.实验结果表明,速度分布具有较好的对称性,符合低雷诺数条件下的流动规律.速度值沿展向呈现类谐波的周期性变化规律,不同流向位置的速度幅值不同.靠近圆柱壁面的对称位置存在两条流线,其上流速保持不变.由剪切应力分布可看到近壁区存在较大速度梯度,剪切强度与雷诺数成正比,与孔隙率的三次方呈近似反比关系.     

离心渗铸工艺中铝熔体在SiC多孔介质内的渗流传热过程特征及最弱环损伤模型

针对离心力场中铝熔体在SiC多孔介质内的渗流传热现象,考虑离心力对渗流传热过程的影响,根据局部非热平衡假设建立了多孔介质渗流传热模型。采用全隐格式TDMA算法和第一类迎风差分方法对渗流过程的温度场进行了数值计算。研究分析了不同复合层厚度下离心渗透过程中的流场和温度场瞬态变化规律。计算结果表明,在渗透区域,熔体与SiC颗粒存在着一定温差,而在渗透前沿,这种温差相对较大。渗流速度变化存在两个十分明显的阶段,渗流速度较高且急剧下降的初始渗透阶段以及渗流速度相当平稳的后续阶段。渗流速度的这种瞬态变化规律主要是多孔介质内流体流动与离心压力相互作用的结果。渗透初期形成的紊流状态,是导致熔体卷吸空气、使复合材料内部形成气孔的主要原因之一。选择合适的工艺参数对于确保铸件质量是十分关键的。     

化学吸附式制冷系统传热传质的数值模拟和实验研究

运用多孔介质理论分析了化学吸附式制冷系统中的吸附床,按多孔介质的质量、动量和能量传递过程建立了吸附床内流动、传热和传质耦合求解的数学模型,并根据吸附剂在吸附床内多孔介质中的流动特性,采用比经典的Darcy模型更精确的多孔介质流动模型-Ergun模型。所建立的数学模型较之现有的吸附床传热传质数学模型能更全面、准确的描述吸附床的传热传质特性。将所建立的模型对化学吸附制冷样机进行了模拟计算,计算结果和测试结果吻合得较好。数学模型和计算结果有助于深入认识吸附床的传热传质特性,并可进一步用于吸附床和系统的优化设计。