含甲烷水合物多孔介质渗透性的实验研究

为研究多孔介质中甲烷水合物对其渗透性的影响,开发了一套适合在该条件下测量渗透性的实验装置。研究了多孔介质孔隙度与渗透率的关系;用BZ-01、BZ-02玻璃砂模拟多孔介质进行了渗透率测量实验,测试了不同甲烷水合物饱和度下多孔介质渗透率的变化情况。结果表明,多孔介质中甲烷水合物的存在会导致其渗透率急剧下降,饱和度-渗透率曲线呈指数分布。根据实验数据拟合出了渗透率随饱和度变化的经验公式,并将实验数据与渗透率模型进行了比较,发现在实验条件下生成的甲烷水合物符合平行毛细管模型,水合物占据毛细管中心,多孔介质中的流动形成环状流。     

泡沫陶瓷多孔介质内流体流动及表面传热模拟

气隙扩散蒸馏脱盐技术利用具有大比表面积的多孔介质作为蒸发器，海水在多孔介质内部流动并在表面蒸发，多孔介质起到了强化液体蒸发的作用;但由于多孔介质结构极其复杂，很难使用传统的实验技术从微观水平观测到多孔介质孔隙通道内流体的流动状态以及传热现象。针对此问题采用计算机数值模拟方法，拍摄实际碳化硅泡沫陶瓷CT图片，构建三维模型进行有限元模拟分析。结果表明，多孔介质内流体会优先通过较大孔隙通道。流体在多孔介质表面向环境空气的散热量随孔隙密度增大而增大，孔隙密度从10提高至30 PPI，散热量提高约1.43倍。进口热流体与环境空气温差越大，向环境的散热量越大，孔隙密度在30 PPI条件下，进口热流体温度从49.38增加至68.67 ℃，散热量提高近2.07倍。     

圆柱表面沟槽减阻的大涡模拟研究

为了降低钝体绕流的阻力,以圆柱为研究对象,考虑在圆柱表面布置沟槽来实现减阻。研究采用大涡模拟(Large Eddy Simulation, LES)方法对雷诺数Re为3 900的圆柱绕流进行数值模拟,通过表面沟槽影响近壁区流动来达到流动控制的效果。分析了V型和L型两种沟槽分别以横向和纵向形式布置时对圆柱阻力系数的影响,通过对比粗糙圆柱与光滑圆柱的壁面摩擦力系数、流动分离点及近壁区流场结构,研究了表面沟槽对于钝体流动的减阻机理。数值模拟结果表明：表面布置特定深度与间距的沟槽后,粗糙圆柱的阻力系数与光滑圆柱相比最多可降低12.5%,边界层分离点也更延后;流体在流经沟槽表面时,会在沟槽底部形成稳定的旋转小涡,减少了壁面摩擦阻力。     

填充有多孔介质的T型通道内冷热流体混合过程的大涡模拟

通过大涡模拟(large-eddy simulation,LES)对填充有烧结铜球多孔介质的T型通道内冷热流体混合过程的流动与传热情况进行了数值模拟,获得了混合区域内的瞬时温度和瞬时速度,通过时均值和均方根值来描述温度和速度的平均大小和波动程度。数值结果表明:在主管下游离多孔介质区域不远处的温度波动最为剧烈,在多孔介质的孔隙中流体速度波动最为剧烈。     

骨架发热多孔介质通道内单相流阻力与换热特性数值模拟

以Fluent 6.3为平台,采用局部非热平衡模型,对紊流及紊流过渡区范围内骨架发热多孔介质竖直通道内的非达西强制对流换热进行了数值模拟。采用三维N-S方程及标准k-ε湍流模型描述多孔介质内的流动,详细研究了孔隙有效雷诺数Re(400Re2000),表面热流密度q(q=5、30和90 kW/m2)和冷却剂入口温度Tin(Tin=20、50和80℃)的变化对多孔介质流道内流动阻力及换热特性的影响。结果表明:低热流密度下,表面热流密度的变化对流动阻力和换热系数的影响很小;小球直径对换热系数的影响显著,且随着雷诺数的增加而增加;换热系数随冷却剂入口温度的增加而减小。     

部分填充多孔介质复合腔体内自然对流的二维PIV实验研究

利用PIV技术对部分填充多孔介质腔体内的二维流动进行测试试验,采用三维打印技术构造高孔隙率的球体结构作为多孔介质模型,搭建了二维PIV测试试验台对部分填充多孔介质复合腔体内自然流动进行了实验测试。通过实验结果与模拟结果的对比分析,发现在多孔介质中间断面位置,因两侧端面导致的三维效应可忽略不计,可以作为二维流场的最佳测试断面。     

低雷诺数下二自由度圆柱涡激振动时的流动和传热

采用数值方法研究了低雷诺数下流体扰流圆柱发生涡激振动时流体的流动、圆柱的振动及流体与圆柱之间的传热特性。采用有限体积法求解Navier-Stokes方程获得流场,同时采用四阶龙格-库塔算法求解圆柱的运动特性,分析了不同雷诺数和折合速度U_r对二自由度圆柱涡激振动及其传热的影响。结果表明：在不同折合速度下圆柱振动会呈现“8”形运动轨迹,涡脱落模式为“2S”;圆柱涡激振动时传热强弱受自身涡脱落频率和振动幅度的影响;对于二自由度涡激振动圆柱,当U_r=4时圆柱涡脱落频率最接近圆柱的固有频率,圆柱振动剧烈,振动幅度大,同时传热最强,且二自由度涡激振动圆柱的时间平均努塞尔数明显大于一自由度圆柱。     

质子交换膜燃料电池阳极内流动与传质特性模拟

针对直流道质子交换膜燃料电池阳极，建立二维稳态的数学模型研究流道和电极内的流动和传质特性。模型采用通用Darcy定律来描述多孔介质与非多孔介质区域的流体流动，可以模拟沿流动方向上的物质变化情况，并探讨进口速度、进口氢气质量分数和催化层厚度对质量传输的影响。结果表明：增大进口速度、增加进口氢气质量分数、降低催化层厚度有利于氢气的质量传递。     

Fluent关于刚性植被尾流区两种数值模拟方法对比

为探究Fluent中更加有效的刚性植被尾流区模拟方法.基于已有试验数据,对比Fluent在模拟刚性植被时两种模拟方法(细圆柱群模型和多孔介质模型)的差异。结果表明,二维刚性植被尾流区模拟中,在待模型稳定时间可忽略不计的情况下综合前处理、模拟情况对比,多孔介质模型更加高效便捷、模拟效果更好。     

壁面覆盖部分多孔介质方腔自然对流流动的数值模拟

多孔介质壁面封闭腔体的自然对流在生产实际中有重要的应用。针对左侧部分多孔介质壁面方形封闭腔体,基于有限元法对封闭腔体的自然对流换热进行了数值模拟,得到了在不同Ra、孔隙率条件下腔体内空气的温度分布、速度分布。结果表明:随着Ra的增大,腔体内的流场及温度场发生了明显的变化,多孔介质壁面孔隙率的变化对腔体的流动换热的影响很小。     

骨架导热特性对部分填充多孔介质复合腔体内传热影响的模拟研究

利用有限元数值方法对部分填充多孔介质复合腔体内的自然对流进行模拟研究,模拟利用两区域法来计算复合腔体内的自然对流,在多孔介质区域采用Forheimer-Brinkman-Darcy方程,在纯流体区域使用Navier-Stokes方程,重点研究了多孔介质骨架导热特性对自然对流的影响。研究发现,在一定范围内随着多孔介质导热性的增强,流体温度升高,部分填充多孔介质腔体内自然对流有一定程度的增强。     

潮流能转换装置串列双圆柱振子流致振动振幅响应研究

合理的排布方式可显著提高流致振动潮流能装置阵列的总体转换效率。针对串列双圆柱振子排布方式流致振动潮流能转换装置,利用ADINA软件对不同参变量下等直径串列双圆柱流致振动振幅响应进行数值模拟,得到不同间距、不同流速、不同雷诺数条件下,上下游圆柱振幅响应规律以及尾流模式和位移时程曲线。制作双振子潮流能装置模型,进行水槽试验,试验结果与数值结果的变化趋势基本吻合。结果表明,在振子间距2D的排布方式下,上下游振子振幅值最大且均大于单振子振幅。     

格子Boltzmann方法对多孔介质复合通道内流动的研究

针对海绵、青砖和石膏3种典型的多孔介质,利用工业X-CT断层图像扫描技术进行处理,获得真实多孔介质几何特征的二维构造多孔介质。采用不可压缩单松弛格子Boltzmann方法进行数值模拟,通过改变通道内多孔介质模型和Re分析了多孔介质复合通道内流体的流动特性,从介观角度研究了多孔介质孔隙结构、孔隙率对复合通道内流场的渗流扰动的影响,为以后研究多孔介质复合腔体内热质交换提供一定参考。     

基于Fluent的低雷诺数突扩圆管流场的数值模拟

针对突然扩大的管道流动这一流动现象,使用hypermesh软件建立了突扩管的物理模型,在低雷诺数条件下应用Fluent对水流的管路突扩情况进行了不同雷诺数和不同扩张比下的管内流体的流动形态数值模拟。通过Ensight和Grapher等后处理软件对计算结果进行了图像和数据的处理,分析了管路突扩回流时速度和压力的分布情况,总结了突扩管的阻力系数变化规律。模拟结果可以很好地反映突扩管流的基本特征,对生产中相关产品的改善提供理论依据。     

等温热源微通道单相液体层流换热特性

对Dh=0.82mm的矩形微通道阵列内等温热源作用下层流传热特性进行了实验和数值模拟。实验中使用常温自来水提供等温热源。微通道流体流动雷诺数Re=100～900,传热温差50K,将所得数据与常规尺度均匀壁温加热下N-S方程的数值解法结果进行对比。结果表明,在Re300时,Nu数随着Re数的增加而增加;而在Re350时,实验所得Nu数近似为常数。将发展入口条件的数值模拟结果与实验结果比较,前者比后者高7.2%。     

表面活性剂减阻流体湍流空间结构试验研究

本文应用PIV(Paticle Image Veloeimetry)和PDA(Phase Doppler Anemometry)在二维流道内对CTAC(Cetyltrimethyl Ammonium Chloride)减阻流体湍流流场进行试验研究,得到减阻流体湍流速度分布。研究表明：在完全减阻区内,减阻流体的减阻性能随雷诺数的增大而增大,在过渡减阻区内,减阻流体的摩擦系数则随着雷诺数的增大而逐渐回升,最终回到与溶剂相当的水平上;减阻流体的速度分布曲线在近壁面处与牛顿流体层状速度曲线趋近,但二者并不完全重合;在流道近壁面处,水湍流流动时所能观测到的强烈的旋涡波动在减阻流体中基本消失,与此同时,在此区域内减阻流体的速度轮廓线与流道几乎平行,且该平行轮廓线部分所占比例较牛顿流体湍流流动时相应部分要大很多,减阻流体的湍流强度受到了极大的抑制。     

管内填充多孔介质强化换热的数值研究

管内填充多孔介质强化换热的基本原理是构造热边界层,增大壁面附近流体的温度梯度,并且流动阻力增幅不大。本文运用数值模拟的方法,模拟填充多孔介质管内的流场和温度场,探讨填充比例φ、渗透率Da以及空隙率ε对管内对流换热的影响规律。研究表明,提高填充比例φ和减小渗透率Da都能明显提高换热效果,但也增加了管内流动阻力。空隙率ε对强化换热作用不大,但高空隙率可以明显降低管内流动阻力,在实际中应选用空隙率较大的多孔介质。     

管中心填充两层多孔介质强化传热研究

采用圆管中心层流充分发展段中心流等截面分层填充金属多孔介质以实现强化传热,建立了流动与传热数学模型,并着重分析了三种新型强化传热管的速度、温度分布及传热综合性能.结果表明,与光管相比,填充金属多孔介质后,管中心流体温度更均匀,壁面附近流体的温度梯度更大,圆管中心流体速度分布趋于平坦,壁面附近流体速度梯度增大,壁面与流体间的换热显著增强;对三种强化传热管,在两区域内填充孔隙率相同的多孔介质,可望得到较高的综合性能指标值.     

基于多孔介质翼型的气动及降噪特性研究

文章提出了在尾缘吸力面填充多孔介质以降低整体多孔使用率,减少其对翼型结构及气动性能的影响。以NACA0018翼型为研究对象,采用大涡模拟方法及Ffocws-Williams and Hawkings(FW-H)声学类比方法比较分析了雷诺数为2.63×105的条件下,基准翼型、尾缘完全填充型及吸力面填充型多孔翼型的气动特性及降噪能力。分析结果表明：两类多孔翼型尾缘受多孔域影响,流场流动发生了变化,且随着攻角的增大,多孔介质对流体的扰动及分离作用被削弱;吸力面填充型翼型能有效降低声压波动及功率谱密度,其在低频区域的声压级分布低于基准翼型,并最终在0°攻角及0～25 kHz的计算频率下达到4.3 dB的降噪效果。针对两类多孔翼型的气动性能结果进行比较,在攻角为0～10°时,尾缘完全填充型翼型较基准翼型出现了1.1%～2.8%的升力系数损失;而吸力面填充型翼型的升力损失为0.8%～1.5%。此外,完全填充型及吸力面填充型翼型的阻力系数分别增加了8%～24%及2%～17%。     

入口雷诺数对压力旋流喷嘴雾化特性的影响

为了揭示介质流量和介质黏度在压力喷嘴雾化过程中的作用机制,采用大涡模拟(LES)与体积函数模型(VOF)相结合的模拟方法,探究了喷嘴内部流动情况,分析了入口雷诺数对喷嘴流量系数、雾化角和雾化粒径等雾化特性的影响。结果表明：随着雷诺数的增加,喷嘴出口液膜厚度变薄,喷嘴流量系数降低;在高雷诺数下,流量系数受其影响较小;随着雷诺数增加,喷嘴雾化角增大,当雷诺数低于1 000时,雾化角增大现象更为明显,相同雷诺数下雾化角几乎相等;当雷诺数较高时,雾化液滴索特平均粒径更均匀,液滴粒径分布更接近R-R分布特征。