非光滑管道壁面减阻性能研究

旨在研究不同非光滑管道壁面流体摩擦阻力特性差异。基于仿生学原理和平板边界层理论,设计凹坑型、凸起型和波浪型3种非光滑管道壁面造型;采用数值模拟方法揭示不同非光滑管道壁面形态对流体摩擦阻力的影响规律;针对减阻性能最佳的凹坑型非光滑管道壁面,探索不同排列方式与流体减阻性能的关系。计算结果表明:凹坑型非光滑管道壁面沿程阻力系数最小,相比基准管道壁面模型其减阻率可提高35.57%;均匀排列方式的管道沿程减阻效果最显著。研究可对管道内壁面基于纹理减阻提供一定的参考依据。     

仿生非光滑表面管道的设计及有限元分析

仿生非光滑表面的减阻作用由于其在工程中的应用价值而被广泛关注。为了减小油气管道运输摩擦阻力损失，将蚯蚓体表的生物学特征引入管道中，设计了凸包型、凹包型2种非光滑壁面管道。结合理论分析、仿真模拟两种手段研究了仿生管道的高性能机理。通过对比仿生管道与普通管道内流体的流动特性，得到了性能最高的非光滑结构：凸包非光滑内壁管道。该管道相对于普通光滑管道，具有更高的减阻率，运输能量更强，流速更高，可为运输管道仿生减阻的深入分析提供参考。     

压差流阻测试装置研制及涂层减流阻作用研究

基于压差流阻测量原理,应用高精度压力传感器结合计算机辅助测试软件,研制出管路内壁涂层减阻性能测试装置,经过计算机仿真验证和实际使用验证,设计合理,适用于各种涂层减流阻性能评价,使用方便,测量精度高。通过改变流量和入口水压连续测量管路内部流体压力变化,试验研究了在管道内壁涂敷有机高分子材料(低表面能材料、环氧色漆)的减阻性能,发现低表面能涂层的减阻效果良好,可达21.7%,涂层的减阻原因在于其疏水性和对壁面粗糙度的减小作用。     

换热管内污水湍流流动沿程阻力特性研究

针对污垢沉积引起换热管阻力变化的问题,建立了换热管内污水流动阻力变化的数学模型.本文提出管内污水流动的沿程阻力系数为洁净状态下换热管内污水的初始流速和时间的函数模型。基于此模型,通过理论推导获得了换热管内污水流动的沿程阻力系数表达式,分析了不同流动状态下沿程阻力系数的影响因素。通过试验获得了换热管污染后管内沿程阻力系数的半经验公式。结果表明:在考虑污垢底层影响时,管内污水流动的沿程阻力系数与洁净状态下管内污水初始流速和运行时间有关;该关系可用粘性底层的厚度和污垢厚度来表示。     

微通道纳米结构的润湿接触状态对滑移减阻影响的分子动力学研究

针对流体在纳米通道的微尺度流效应,采用分子动力学方法以SPC/E水分子为纳米流动介质,分别计算模拟其在不同纳米结构的微通道内的润湿接触状态和Poiseuille流动行为,研究通过微通道壁面微纳结构改变而导致的不同润湿状态起到的滑移减阻效应.结果表明:纳米结构的周期性增加,会使得壁面的亲疏水性呈现马太效应,从而达到润湿性控制的目的.增加壁面亲水性,会使主流区密度、流体速度和滑移速度都减小;在增加壁面疏水性的过程中,主流区的密度增加;并且流体的状态由Wenzel向Cassie转变,流体速度和滑移长度先减小后增加;而亲疏水转变过程中,随着表征接触角的增加,当动静态流体与壁面的接触状态相同时,流体流动的壁面摩擦因数值呈现单调递减趋势;而当动静态流体与壁面的接触状态存在差异时,摩擦因数会出现轻度无规律波动.     

螺旋外肋管换热器壳侧流体流动与换热特性数值研究

利用CFD技术,研究了螺距及肋高对螺旋外肋管换热器壳程流体流动和换热性能的影响。建立了壳程周期性单元流道模型并进行数值计算,详细分析了不同螺距、肋高对壳程流体流动及换热的影响。结果表明,适当地减小螺距可以有效地强化管壁对流换热效果,同时伴随着摩擦阻力系数的增大,但综合换热性能更强。在高雷诺数区域,随肋高的增大,螺旋外肋管的换热性能随肋高的增加比较明显,而摩擦阻力系数的变化与肋高变化的程度大致相同。速度场和温度场的平均协同角随螺距的减小而减小,协同程度增强。提出了螺旋外肋管换热器壳程换热及阻力性能公式供相关工程设计参考,并对外肋管换热器壳程综合强化性能做出了评价。     

基于边界层理论的盘形转子流体阻力研究

基于边界层理论分析了盘形转子在液体中旋转运动受到的摩擦阻力,参考Prandtl-Schlichting公式设计了旋转转子的摩擦阻力系数,利用雷诺定律得到了转子单位面积上受到的摩擦阻力,并通过积分得到了转子受到的阻力矩计算公式。设计了盘形转子的流体阻力试验,利用试验数据对阻力矩公式中的待定系数进行了最小二乘法拟合。将拟合结果代入计算公式,得到的阻力矩计算结果与不同直径、不同厚度的转子在不同转速下的试验数据均能很好的吻合,说明所设计的转子摩擦阻力系数公式与获得的待定系数用以计算盘形转子的流体摩擦阻力矩是可行的。     

疏水表面的摩擦阻力特性研究

考虑到单纯的形貌和低表面能涂层减小摩擦阻力的效果有限,利用铝基底、聚四氟乙烯涂层制备了几种表面形貌和低表面涂层相结合的疏水表面,并应用到水下航行体的减阻实验中。结果表明:具有聚四氟乙烯涂层的微形貌结构的表面接触角可超过120°,形成疏水状态;部分疏水表面在减阻实验中具有较好的效果,比只有微形貌的表面的周期性减阻有了更好的稳定性;不是所有的疏水表面都具有减小摩擦力的作用,偏角的方向、进刀量的大小、形貌的周期等许多因素都直接影响着阻力的大小。     

高宽比对矩形微小通道内流动的影响

为了研究高宽比对矩形微小通道内流动的影响,选定槽道当量直径均为lmm,长度为360mm,矩形截面的高宽比分别为1/10、1/5、1/4、1/2、1、2、4、5和10的微小通道,实验测得煤油在其中的流动压降,算得其沿程的损失系数.结果发现截面高宽比小于1时,沿程流动压降随截面高宽比增大而减小,损失系数随截面高宽比增大而减小;截面高宽比大于1时,沿程流动压降随截面高宽比增大而增大,沿程损失系数随高宽比增大而增大.     

腐蚀条件下悬空海底管道的受力分析

腐蚀失效是海底管道面临的的主要风险之一。为研究不同腐蚀条件对海底管道强度的影响,通过考虑腐蚀的腐蚀深度、环向角度、轴向长度等各个不同的参数对悬空管道的强度影响,开展了不同腐蚀条件下悬空海底管道的强度评估研究。结果表明:管道的最大等效应力随着腐蚀深度基本成线性变化;悬空管道腐蚀区域上的最大等效应力是随着腐蚀环向角度的增大而减小,在环向角度较小时,最大等效应力随着环向角度的增加减小得较快;在腐蚀长度较小时悬空管道腐蚀区最大的等效应力也较小,但在腐蚀长度到一定的大小之后,腐蚀区的应力大小有一定的起伏,但总体上腐蚀长度对于悬空管道腐蚀区的最大等效应力的影响不大。     

表面改性对滑动轴承弹流润滑的影响

考虑滑移边界条件,建立了极限剪应力模型和线接触弹流润滑模型,推导了润滑剂界面滑移速度,并修正了流体润滑Reynolds方程,针对界面改性后滑动轴承的润滑状态进行了探究。首先,分析了对轴瓦和轴颈界面均进行改性处理后,轴承润滑状态在整个弹流润滑接触区的变化;其次,分别研究了仅对轴瓦或者轴颈做改性处理的影响;最后,探究了界面改性对轴承摩擦因数的影响,并讨论了摩擦因数随载荷、速度的变化。结果表明,在弹流润滑的条件下,同时对轴瓦和轴颈进行表面改性处理时,油膜会在入口区形成凹陷,在出口区形成坍塌;仅对轴颈界面进行改性处理时,油膜会在整个接触区形成凹陷,对应的压力也会随之增加;相反,仅对轴瓦界面进行改性处理时,油膜厚度减小,压力降低;表面改性处理后,摩擦因数降低,并随载荷、速度的增大而减小。     

超疏水表面减阻特性的研究进展

超疏水表面具有减阻效果,在提高管道传输效率、降低水下航行体和微流体器件中流动阻力等方面有着广阔的应用前景。介绍超疏水表面的制备、滑移理论以及减阻特性的研究,讨论微尺度下表面润湿性、表面微结构和流场流动状态对壁面减阻的影响,对超疏水壁面减阻的物理机制进行总结,并指出气体层不连续模型和气穴模型是分别适用于光滑疏水表面和带微结构超疏水表面的减阻模型。介绍超疏水表面减阻特性的一些应用,提出将超疏水表面应用到微流体系统中面临的问题,如微通道壁面疏水性的制备及其减阻效果的耐久性。     

低速大偏心滑动轴承润滑状态转变及特性分析

以动压滑动轴承为研究对象,建立了完全流体润滑模型和混合润滑模型。采用有限差分法进行数值求解,得到摩擦阻力、摩擦因数、承载力和端泄油温升等特性参数;通过膜厚比和摩擦因数判断轴承所处润滑状态,分析润滑状态转变后表面粗糙度对轴承特性的影响;并基于M2000型摩擦磨损实验机进行了混合润滑状态摩擦副跑合实验。结果表明,低转速下增大偏心率,轴承润滑状态从完全流体润滑转变为混合润滑,且综合表面粗糙度越大,润滑状态转变所需偏心率越小;混合润滑状态粗糙峰接触可以提高承载力,但导致轴承摩擦阻力和端泄油温升迅速升高;大偏心下实验结果与混合润滑理论计算结果基本一致。     

微小圆管内流动研究

通过实验对内径为1mm的微小圆管中RP-3航空煤油的流动压降和摩擦阻力系数(损失系数)进行了研究.结果表明:在层流区摩擦阻力系数随雷诺数的增加而减小,而且微小圆管内的摩擦阻力系数比常规大圆管中摩擦阻力系数小;在内径为1mm的微小圆管中,流动从层流转变成紊流的临界雷诺数为949,远小于常规圆管中的临界雷诺数.管内流动压降随雷诺数的增大而增大.     

微结构表面上流体流动的数值模拟

根据固液界面的复合接触模式,考察了液体在光栅表面上的流动.运用二阶中心差分方法对Navier-Stokes方程进行离散求解,采用了零滑移和零剪切交错边界条件,开发了一个用于计算二维流动参数的计算系统.运用该系统对二维管道进行了模拟,得到了管道内流体的速度分布和压强分布,并计算了管道的减阻情况.计算结果与以往类似结果对比说明了系统的理论基础和实施方案的正确性;计算结果表明,流体在光滑与光栅结构表面构成的管道中的压强分布存在一定差异,光栅结构表面具有一定的减阻性能.最后,通过对不同的表面结构参数进行数值实验,得出了用于减阻衡量的关系式.     

管道节流过程中气蚀的数值模拟

应用数值模拟的方法,对流体在圆形、六边形、正方形、渐缩及渐扩几种不同几何形状和尺寸的节流管道中流动时所产生的气蚀现象进行数值计算,模拟流体在管道节流过程中气蚀的发生过程,分析不同节流断面形状节流管道的含气量分布、沿程含气量、沿程压力变化等规律。数值计算的结果表明,在所计算的不同断面形状节流管道中,渐缩形节流管道中气蚀发生的区域最小。同时,还对具有较好气蚀特性的几种不同长度渐缩形节流管道进行模拟计算,结果显示,节流段长度对气蚀的存在区域有重要影响,随节流段长度的增加,气蚀区域向下游的发展范围逐渐加大。此外,对各种断面节流管道中气蚀产生的位置进行预测,并对气蚀形成的机理及影响因素进行分析。     

微结构表面上流体流动的数值模拟

根据固液界面的复合接触模式,考察了液体在光栅表面上的流动。运用二阶中心差分方法对Navier-Stokes方程进行离散求解,采用了零滑移和零剪切交错边界条件,开发了一个用于计算二维流动参数的计算系统。运用该系统对二维管道进行了模拟,得到了管道内流体的速度分布和压强分布,并计算了管道的减阻情况。计算结果与以往类似结果对比说明了系统的理论基础和实施方案的正确性;计算结果表明,流体在光滑与光栅结构表面构成的管道中的压强分布存在一定差异,光栅结构表面具有一定的减阻性能。最后,通过对不同的表面结构参数进行数值实验,得出了用于减阻衡量的关系式。
     

截面形状对疏水性微肋阵内减阻特性的影响*

在截面为圆形、菱形和椭圆形微肋阵内涂覆不同性能的疏水性涂层,形成疏水性微肋阵。去离子水在疏水性微肋阵内表面的接触角分别为99.5°、119.5°和151.5°。测试去离水以不同流速流经疏水性试验段流道内压力降和摩擦阻力系数。试验结果表明,在相同的接触角和流量下,圆形微肋阵内压力降最高而椭圆形最低;当接触角为99.5°,雷诺数Re低于600时,椭圆形微肋阵内减阻率要高于菱形和圆形微肋阵,当Re>600时前者要低于后两者。随着接触角的增大,圆形内减阻率要明显高于菱形和椭圆形微肋阵,菱形和椭圆形微肋阵在低Re下较为接近,在高Re下前者的减阻率要高于后者;表面疏水性处理能够显著降低摩擦阻力,同时推迟流动分离和尾流区转捩,因此对于分离较早、压差阻力较大的微肋阵的减阻效果更加明显。     

折流板换热器壳程流体流动与传热特性数值模拟

根据流体动力学和计算传热学理论,建立了折流板管壳式换热器计算模型,运用CFD技术对换热器壳程流体的流动与传热问题进行了三维数值模拟,得到了不同壳程进口雷诺数Re条件下换热器壳程流体的流场和温度场。对数值模拟结果进行分析,以总传热系数h,壳程总压降Δp以及单位压力损失下的传热系数h/Δp作为换热器性能的衡量标准,分析了不同折流板间距和不同折流板圆缺高度时管壳式换热器壳程总传热系数h、总压降Δp以及h/Δp随壳程进口雷诺数的变化规律。结果表明:随着壳程进口流速的增大,换热器壳程总传热系数和总压降增大、h/Δp减小;在壳程流体流量不变的情况下,结合单位压力损失下的传热系数h/Δp,适当减小折流板间距或减小折流板圆缺高度,可提高换热器的换热性能。     

折流板换热器壳程流体流动与传热特性数值模拟

根据流体动力学和计算传热学理论,建立了折流板管壳式换热器计算模型,运用CFD技术对换热器壳程流体的流动与传热问题进行了三维数值模拟,得到了不同壳程进口雷诺数Re条件下换热器壳程流体的流场和温度场。对数值模拟结果进行分析,以总传热系数h．壳程总压降△p以及单位压力损失下的传热系数h／Ap作为换热器性能的衡量标准,分析了不同折流板间距和不同折流板圆缺高度时管壳式换热器壳程总传热系数h、总压降△p以及h／Ap随壳程进口雷诺数的变化规律。结果表明：随着壳程进口流速的增大,换热器壳程总传热系数和总压降增大、h／Ap减小：在壳程流体流量不变的情况下,结合单位压力损失下的传热系数h／Ap,适当减小折流板间距或减小折流板圆缺高度。可提高换热器的换热性能。