重力场中绕汽泡Marangoni对流的数值模拟

建立了重力场中绕汽泡 Ｍａｒａｎｇｐｏｎｉ对流的数学模型,通过数值模拟得到了无量纲控制参数Ｍａ、Ｒａ、Ｐｒ、Ｂｉ对热毛细对流的作用规律,且分别计算并绘制出了不同条件下绕汽泡区域的等温线、流函数及速度分部．在常重力场中热毛细对流依然存在,且在特定条件下不可忽略,文中给出了浮力对流与热毛细对流同向和反向时的计算分析结果．     

池式反应堆内欠热沸腾空泡份额的研究

本文根据小型池式反应堆的运行工况,对活性区冷却剂通道内欠热沸腾的空泡份额做了实验研究和机理分析.给出了实验结果和理论计算模型.此项研究包括加热段的汽泡增长过程和不加热段的汽泡冷凝过程.     

微细加热丝上沸腾换热特性分析

沸腾换热是一种高效换热方式。基于本课题组搭建的可视化池内沸腾实验台,以直径为0.1,0.2 mm加热丝上的沸腾换热为研究对象,利用高速相机与电子显微镜探究过冷状态下微细加热丝上气泡的状态,分析热流密度和过冷度对加热丝上气泡脱离直径及生长时间的影响。结果表明:在过冷状态下,加热丝上的气泡会出现4种扫荡现象,并且在气泡长大过程中出现射流现象,在热流密度3.35×106W/m2、主液体温度60℃时,直径为0.2 mm加热丝上气泡的射流现象可持续13 s;在热流密度4.53×106W/m2、主液体温度为70℃时,直径为0.1 mm加热丝上气泡出现了多射流现象;主液体温度达到70℃时,气泡扫荡现象强烈,气泡的脱离直径与生长时间均显著减小。     

超声珩磨中声空泡溃灭微射流冲击特性的研究

超声珩磨加工过程中会产生强烈的声空化现象,近壁空泡溃灭会产生高速微型射流,冲击材料表面造成变形损伤.为探究空泡溃灭微射流的冲击特性及其对壁面材料的作用,选用sph-fem方法,建立微射流冲击壁面模型,进行仿真分析,并设计超声珩磨谐振系统空化试验.结果表明:微射流冲击壁面后形成高速侧向射流,且其最大速度可达到冲击速度的1.593倍,高速侧向射流对材料产生剪切作用;微射流冲击中后期射流中部粒子在激波作用下反向运动向上凸起;微射流冲击后壁面产生直径约8μm,深约0.173μm的微型凹坑,凹坑边缘有材料隆起,射流边缘冲击效应最强;试验中单微射流冲击下产生的凹坑直径在6~12μm之间,与仿真分析结果一致.     

土壤原位热传导修复水-汽-热耦合输运模拟

为了研究有机污染场地原位热传导热修复过程中地层温度的时空分布规律,基于典型场地建立水-汽-热耦合输运模型,通过COMSOL Multiphysics多物理场仿真平台对原位热传导修复过程中的土壤温升进行数值模拟研究,预测得到温度、水相及蒸汽相浓度分布随时间的变化规律. 利用文献中的单根加热棒加热场地实测数据对模拟结果进行对比验证,通过参数化分析探究土壤孔隙度、水饱和度及毛细作用力对土壤温度时空分布的影响. 结果表明,大孔隙度和水高饱和度将导致土壤温升减慢,这是由于大量热量用于液态水蒸发过程. 毛细管力会强化液态水输运,增大蒸发速率．     

单面加热微细窄通道内过冷沸腾的传热特性

以去离子水为工质,对大宽高比、小长径比的单面加热微细窄通道(W=5.01mm,H=0.52mm)内的过冷流动沸腾进行实验研究.结合高速摄像,探讨热流密度、质量流速和通道方向对换热系数、压降和流型的影响.结果表明,竖直通道内的沸腾流型随时间变化,主要为孤立泡状流.当热流较高时,孤立汽泡的生长或互相融合可以形成拉长汽泡.在较高流速(300和400kg/(m2·s))下,拉长汽泡在惯性力作用下迅速离开加热段;在低流速(200kg/(m2·s))下,拉长汽泡向上游扩张,在整个加热段上引发短时薄液膜蒸发过程,并伴随局部干涸和重新润湿的现象,同时换热系数显著高于较高流速下.相对于竖直通道,水平通道内在较低热流下被大量汽泡占据,形成较早的干涸,压降和壁温均出现较大的波动.     

超快激光加热薄膜的格子玻尔兹曼模拟

超快激光加热技术已广泛用于微/纳米器件中,传统的傅立叶导热定律不能有效地描述超快速和超小尺寸的传热问题,因此研究超快激光加热纳米尺度薄膜的传热过程,对微/纳米器件中散热器制造具有重要的理论意义。文章采用格子玻尔兹曼方法(LBM)数值模拟激光加热薄膜的热传导过程,并与傅立叶定律获得的结果进行比较分析。结果表明:在系统特征尺度和分子平均自由程相当的过渡区,LBM结果中当薄膜受到激光扰动后其内部的热量传递会出现波状行为,但傅立叶定律的结果却无法展示这一现象;利用LBM数值模拟激光加热硅薄膜的一维导热问题,发现克努森数对薄膜内无量纲能量密度的分布具有重要的影响;当利用超快激光对加热硅薄膜的2个表面同时加热时,会产生2组沿相反方向传播的热波,当其交汇时,彼此的碰撞会引发能量的显著提升。     

加热条件下柴油喷雾射流不稳定性分析和实验

就温度对载雾射流表面扰动波增长率的影响进行了理论分析和实验研究。研究结果表明,在加热条件下,燃油的表面张力和粘性下降,引起韦伯数Ｗｅ的减少和雷诺数Ｒｅ的增地致喷雾射流扰动波的增长。环境介质温度愈高,喷雾射流表面温度就愈高,扰动波的增长率就越大,喷雾就越容易破碎和雾化,这与实验观察结果相符合。     

低温推进剂弹状汽泡形成过程的数值模拟研究

弹状汽泡形成过程的准确预测对于分析和预防低温推进剂的间歇泉现象具有重要意义.分析了竖直推进剂管内汽泡的碰撞及聚合机理, 建立了描述这一过程的MUSIG模型并进行了数值计算.与实验结果对比表明, 建立的模型能够有效预测竖直低温推进剂输送管内的汽泡起始聚合高度、弹状汽泡形成高度以及汽泡尺寸分布等重要参数, 为间歇泉现象的研究和抑制提供了理论依据.     

磁致液面变形及其光学测量

为获取磁场中气液界面的特性参数,提出基于镜面反射成像与结构照明相结合的方法对磁致液面变形进行测量.根据图像映射和条纹灰度矩阵提取条纹图的相位差进行液面变形量的计算,并重建三维变形液面.得到了结论:液体表面附近处的梯度磁场将引起表面张力的不均匀而使其发生变形,变形量及方向与磁场强度和梯度的空间分布有直接关系,为浮力-热毛细对流的相关研究提供一种新的途径.     

垂直上升弹状流中Taylor气泡上升流速的研究

用势流理论研究了Ｔａｙｌｏｒ气泡在垂直管内的上升速度．给出了液体速度分布对气泡上升速度的影响,导出了气泡头部形状方程;提出了液体流动为层流和紊流时气泡上升速度的表达式,研究结果与实验数据进行比较,符合较好．     

连续三相喷射环流反应器的实验和数值模拟

利用Pavlov管和电导探针分别测量含小颗粒（Stokes数小于1.0）的连续气液固三相喷射环流反应器内轴向液速和气体体积分数分布. 提出大气泡-小气泡-浆态相三相流体力学模型,以模拟三相喷射环流反应器的流体力学行为,对大气泡相和小气泡相分别考虑尾涡加速和气泡阻碍效应并修正其曳力. 对于上升区和下降区,流场模拟结果均与实验结果较吻合. 利用模型预测不同固体体积分数下的气体体积分数与轴向液速分布,结果表明,在考虑的固体体积分数范围内,气体体积分数随固体体积分数增加而下降,液体循环速度随固体体积分数增加而略有上升,其原因主要是反应器内平均气泡直径随固体体积分数增加而增大,进而导致气泡浮升速度加大并增强周围流体的加速运动.     

微重力下液封对熔体内热毛细对流影响的研究

建立了具有液封熔体的热毛细对流的物理模型和数学模型,采用原始变量法对微重力条件下具有液封的熔体内热毛细对流进行了数值模拟,得到了上、下层液柱主流区的温度场和流场,证实了液封能够削弱熔体内热毛细对流,从而提高了浮区晶体生长质量,并得到液封的厚度和液封与熔体的动力粘性系数之比对熔体内热毛细对流的影响规律.     

均匀环境中气泡羽流的数值模拟

以往对气泡羽流的理论分析,主要集中在半经验性的积分模型方面,对其流动结构揭示很少．应用作者给出的气－液两相流两方程湍流模型及混合有限分析法,对静止均匀环境中两种类型的气泡羽流进行数值模拟和分析．相对各种积分模型,这种模拟气泡羽流的微分方程方法具有较强的预报性和普遍的适应性．数值计算结果与实验相比,吻合很好,从而也验证了湍流模型的正确有效性．     

Space experiments of thermocapillary convection in two-liquid layers

In 1999, the space experiments on the Marangoni convection and thermocapillary convection in a system of two immiscible liquid layers in microgravity environment were conducted on board the Chinese scientific satellite SJ-5. A new system of two-layer liquids such as FC-70 liquid and paraffin was used successfully, with the paraffin melted in the space. Two different test-cells are subjected to a temperature gradient perpendicular or parallel to the interface to study the Marangoni convection and thermocapillary convection, respectively. The experimental data obtained in the first Chinese space experiment of fluid are presented. Two-dimensional numerical simulations of thermocapillary convections are carried out using SIMPLEC method .A reasonable agreement between the experimental investigation and the numerical results is obtained.     

垂直上升气液两相弹状流液弹空隙度研究

目的建立垂直上升气液两相弹状流液弹空隙度模型．方法通过考虑Ｔａｙｌｏｒ气泡与尾随液弹之间的气体交换建立垂直上升气液两相弹状流液弹空隙度模型;用实验来验证和评价模型的正确性．结果模型计算结果与本文实验数据及其它相关数据进行了比较,两者符合较好,模型计算值与实验数据的误差在±２０％以内．结论推荐的模型可以准确地预测垂直上升气液两相弹状流液弹空隙度．     

水下爆炸气泡脉动的数值计算

水下近场爆炸可分为装药的爆轰、冲击波的产生和传播、气泡的形成和脉动.尽管气泡脉动压力峰值较冲击波小,但是近场水下爆炸气泡能量的衰减较冲击波慢,所以其对结构的影响却是不可忽视的.在充分考虑了能量的消耗,加入了虚拟力以及气泡能对整个气泡脉动特征的影响后,改进了水下爆炸引起气泡的脉动规律和水中压力分布规律的基本方程.利用采用龙格-库塔数值方法计算出了气泡的脉动直径、周期、速度和水中压力.所得计算结果与已有的各实验数据吻合良好.因此说明该方法对气泡脉动的描述非常符合真实情况.通过分析得出在近场时冲击波和气泡脉动压力波对于结构的破坏都有重要作用.     

气液搅拌槽内气泡尺寸与局部气含率的CFD模拟

采用在欧拉-欧拉双流体模型的基础上耦合气泡数密度（BND）函数模型,引入气泡破碎和聚并函数,对双层组合桨气液搅拌槽内的气泡尺寸和局部气含率进行了计算流体力学（CFD）模拟,同时采用双电导电极探针法对搅拌槽内局部气液分散特性进行了实验测量,并和CFD模拟结果进行了对比.结果表明：较高通气量条件下搅拌槽内气泡尺寸和局部气含率分布很不均匀,气泡尺寸在叶轮排出流区较小,且沿着排出流方向逐渐增大;在两桨间区域和上层桨以上区域气泡以聚并为主;局部气含率在循环涡涡心、叶轮和挡板后部较高,叶片后部存在明显气穴.     

水-乙酸、乙酸乙烯酯-乙酸系统的汽液平衡

用泵式沸点仪测定了常压下水－乙酸和乙酸乙烯（酯）－乙酸两个二元系在不同液相组成时的沸点，并用间接差分法由TPx推算了与之平衡的汽相组成y，推算值与文献值比较均获得满意的结果，以Margulsa、van Laar、Wilson和NRTL活度系数模型拟合两个二元系的汽液平衡数据，用最小二乘法求出了液相活度系数模型参数，由模型参数推算得到的两个二元系的泡点与实验值吻合较好。