方形微通道内流动凝结时气液相界面演进过程的数值模拟

基于VOF模型,模拟了R32在水力直径为50 μm的方形微通道内流动凝结时的气液两相流型演进过程,模拟涉及的流型包括环状流、喷射流、泡状流和收缩泡状流。模拟结果显示,由于沿通道周向气液界面存在曲率差异,凝结液内部存在表面张力导致的横向压力梯度,驱使凝结液流向通道壁面拐角处,减薄通道壁面中部液膜厚度。基于势能最小原理,解释了表面张力与界面黏性力主导的喷射流形成机理。小质量流率时,喷射流诱发环状流上游气液界面波动,界面波动在界面黏性力的作用下逐渐生长。这与大质量流率时,流向下游并逐渐生长的界面波动导致流型转换的机理不同。     

叶栅通道内湿蒸汽非平衡凝结流动的数值模拟

过冷度是各种凝结现象产生、发展的直接驱动力,叶栅通道内湿蒸汽成核过程通常集中在喉部下游很窄的区域内,水滴数目和水滴半径分布则受到边界层和尾迹影响。针对叶栅通道内跨音速非平衡凝结流动参数分布陡峭、变化敏感的特点,采用具有较好激波捕获效果的高分辨率二阶TVD格式进行离散。利用时间推进法对控制方程进行求解,建立了凝结流动的数值解法,模拟与实验结果相吻合,验证了模型的准确性。研究了叶栅通道内非平衡凝结流动的基本物理现象,讨论了进口过冷度对凝结特性的影响,归纳了叶栅通道内压力、成核率、水滴数、水滴半径、蒸汽湿度的变化规律。研究表明:进口过冷度对非平衡凝结流动特性有重要影响。     

叶栅通道内湿蒸汽非平衡凝结流动的数值模拟

过冷度是各种凝结现象产生、发展的直接驱动力,叶栅通道内湿蒸汽成核过程通常集中在喉部下游很窄的区域内,水滴数目和水滴半径分布则受到边界层和尾迹影响。针对叶栅通道内跨音速非平衡凝结流动参数分布陡峭、变化敏感的特点,采用具有较好激波捕获效果的高分辨率二阶TVD格式进行离散。利用时间推进法对控制方程进行求解,建立了凝结流动的数值解法,模拟与实验结果相吻合,验证了模型的准确性。研究了叶栅通道内非平衡凝结流动的基本物理现象,讨论了进口过冷度对凝结特性的影响,归纳了叶栅通道内压力、成核率、水滴数、水滴半径、蒸汽湿度的变化规律。研究表明:进口过冷度对非平衡凝结流动特性有重要影响。     

宽高比对矩形微通道内流动凝结的影响

基于VOF模型,建立了模拟矩形微通道内流动凝结的三维瞬态数值模型,速度进口采用分相流模型,并考虑速度与液膜厚度的进口段效应。通过对比参考文献流型图,验证了该数值模型。对R32在宽高比分别为2:3、1:1和3:2的三种矩形微通道内流动凝结进行了数值模拟,环状流、喷射流、泡状流和收缩泡状流沿着计算域依次出现。通过分析通道截面气液相分布与壁面热流密度分布规律可知:当矩形宽高比偏离1:1,通道截面液膜分布不均匀性增加,Gregorig效应增强,进而强化换热。换热强化使得环状流尾部气芯的Wev和Cav减小,导致喷射流更靠近入口,伴随更低的气弹脱离频率。计算结果表明:矩形宽高比显著影响流动凝结过程,与方形通道相比,严格矩形通道更有利于换热与抑制气液界面波动。     

十字交叉微通道内微液滴生成过程的数值模拟

采用VOF模型对十字交叉微通道内微液滴的生成进行三维数值模拟,获得了拉伸挤压、滴状剪切、单分散射流等单分散微液滴的生成机制以及紊乱射流、节状形变流、管状流和滑移流等两相流型,模拟与实验结果相吻合验证了模拟的有效性。液液两相流型主要受两相流速、两相界面张力以及连续相黏度的影响,发现随着连续相的流量增大,微液滴的生成尺寸减小,生成频率增大;而离散相流量的影响则相反。两相表面张力与连续相黏度分别在低连续相Ca数和高连续相Ca数条件下分别起主导作用。在低连续相Ca数(U_d<0.03 m·s^-1)的拉伸挤压和滴状剪切流流型下,微液滴生成尺寸随着表面张力系数的减小而减小,在射流条件下反而增大,微液滴的生成频率变化则相反。在高连续相Ca数(U_d>0.03 m·s^-1)下,微液滴的生成尺寸随着连续相黏度的增大而减小,微液滴的生成频率变化则相反。另外,壁面接触角在拉伸挤压流型下对微液滴生成无太大影响,但在滴状剪切和单分散射流流型下,接触角减小会导致微液滴无法稳定生成。     

方形微通道内超临界CO2流动换热特性研究

采用SST k-ω湍流模型对加热条件下超临界CO₂在方形微通道内的流动换热特性进行了数值模拟。通过对比三种壁面平均传热系数、浮升力参数和二次流强度的沿程变化研究了管型、热通量、质量流量和倾斜角度对微通道内流动换热性能的影响。结果表明：水平方形微通道的整体换热性能优于相同水力直径的半圆形微通道。流体域典型截面的温度分布、速度分布和湍动能分布等信息可以很好地解释水平方向流动时上、下壁面传热差异的现象。减小热通量、增大质量流量或减小流体流动方向与重力方向之间的夹角,可提高方形微通道的整体换热水平。该模拟结果对以超临界CO₂为工质的微通道换热器的设计和优化具有一定的理论指导意义。     

弯曲微通道中液滴内混合过程的数值模拟研究

微混合器内采用多相流操作条件使混合在液滴中进行,能有效提高微混合器的混合效率以及消除单相流操作条件下所存在的分散效应。在流体体积函数法(VOF)的计算流体力学基础上,分别采用欧拉-示踪剂法以及拉格朗日-示踪粒子法对弯曲微通道中液滴内部的混合状态演变过程进行模拟研究,得到了液滴经过通道不同位置其内部的混合快照图并计算了其混合程度的变化。两种方法都显示在液滴通过蛇形弯曲微混合器时,液滴内部产生了混沌流。正是由于混沌混合现象的存在,使得液滴内混合组分能够达到快速有效地混合,混合效率较高。对两种不同模拟方法及实验结果的比较发现,欧拉-示踪剂法能够更好地模拟实际的混合效果,而拉格朗日-示踪粒子法能够更清晰地模拟混合组分界面的变化情况,适用于研究液滴内混沌混合现象。     

微细通道内蒸汽直接接触间歇凝结汽液相界面运动特性

为探究T形微细通道内蒸汽直接接触间歇凝结汽液相界面的运动特性,利用高速摄像机（帧率为5000帧/s）获取过冷水温33℃、过冷水质量流量6.325g/min、蒸汽温度100℃及蒸汽质量流量0.25g/min工况下的可视化图像。在此基础上定性分析汽液相界面的瞬时演变特征,进一步应用图像批处理技术定量分析相界面的前端运动规律,包括相界面位置及速度的瞬时波动特性。研究发现,不同凝结周期内的汽液相界面在蒸汽泡生成直至最大时的形貌、蒸汽泡的溃灭特性等方面有很大差异,主要体现在气泡溃灭时是否发生“局部收缩”和“内爆”等。此外,对于一个典型相界面运动周期而言,蒸汽泡消失阶段所占时间比例最小约为12%。通过分析相界面前端瞬时位置波动曲线,发现利用该曲线获得该工况下的凝结频率为23Hz,且该曲线的峰值分布具有较强周期振荡特性。通过分析相界面前端瞬时速度波动曲线,发现在多个极短时间内出现了速度的瞬时转变以及较为剧烈的多次振荡,速度峰值最大可达11m/s。结合可视化图像,详细描述了相界面速度振荡时的界面演变情况,并揭示“局部收缩”和“内爆”导致速度振荡的机理。     

节流阀中己烷凝结流动数值模拟

建立了自发凝结和异质凝结流动统一的数值模型,研究了存在外界凝结核心时天然气中己烷蒸气的节流凝结性质,并对初始颗粒半径、初始颗粒浓度、背压比和总温等因素对己烷凝结性质的影响进行了分析.计算结果表明,己烷在节流后很短距离内凝结,凝结时间很短;己烷自发凝结的极限过饱和度很高;外界核心引起的异质凝结比较显著时会抑制自发凝结,使...     

竖直环形通道内液氮流动沸腾的数值模拟

在多尺寸组模型的基础上,从加热壁面上脱离汽泡的受力分析人手,对液氮过冷流动沸腾模型进行了修正.将新模型应用于环形通道内液氮过冷流动沸腾的数值模拟,同时为了比较,采用基于Kirichenko,Fritz汽泡脱离直径公式的多尺寸组模型对同一管道内液氮过冷流动进行了数值模拟.结果表明:结合脱离汽泡受力分析模型的多尺寸组模型可...     

超疏水微圆管内流动的数值模拟

在实验研究超疏水微通道流动特性的基础上,建立了超疏水微通道流动模型,并利用FLUENT软件选择了合适控制方程,进行了数值模拟。对滑移壁面与无滑移壁面速度分布进行了对比分析。模拟得到的滑移速度,无量纲压降与实验值吻合性较好,最大相对误差分不超过15％、20％。分析了无量纲压降随着Re减小的原因是由于滑移效应的减弱,滑移长度的模拟值与实验值吻合较好,相对误差不超过20％,根据流场分析得出滑移长度可以反映滑移效应的大小。     

T型微通道内流体流动的FLUENT模拟

在流体力学研究中,微流控技术是当今研究的一个热点。利用微尺度下流体流动的一些特性可以提高流体间传质、传热以及反应速率。T型微通道是一个比较常见的微流控装置,利用ICEM CFD软件建立T型微通道的几何模型;然后通过FLUENT软件对微通道内流体流动进行模拟仿真。模拟实验结果表明,通道内两相流体的速度和粘度对流型有显著影响。     

窄通道杆状发射药内孔燃气流动数值模拟

运用合理的简化假设,建立杆状发射药内孔通道燃气流动模型,利用Fluent软件求解器对长径比为40的某一特定单孔杆状发射药燃气在内孔的流动过程进行了数值模拟,在给定初始压力和温度的条件下模拟内孔燃气的速度分布及压力分布,并进行分析。结果表明,径向由孔中心到孔壁,燃气流速逐渐减小,压力逐渐增大;轴向燃气流速先逐渐减小,压力先逐渐增大,在10mm处突然形成速度和压力的震荡波,并随时间沿轴向传递,5ms后速度趋于平稳波动,压力整体保持波动并持续上升,但各点压力最终都保持稳定。     

矩形微通道内液相黏度对气泡界面的作用机制

利用高速摄像机对矩形微通道中不同黏度体系下气泡的形状及界面演变进行实验研究。实验观察到子弹状、棒槌状、平尾状和尖尾状四种气泡形状,其中液弹的挤压力控制气泡尾部由凸形变平形或凹形,而受限空间效应和液相黏性剪切导致气泡形状为贴近壁面的尖尾状。基于两相Ca数和气液流率比绘制了气泡形状分布图并建立形状转变模型。平尾状和尖尾状气泡均是由棒槌状气泡演变而来,转变距离分别随气泡上游液弹压力和液相黏性剪切力的增加而减小,并且均与气/液流率比呈幂律关系,幂律指数小于零。尖尾状气泡破裂发生在尖端且存在临界条件,根据Ca数和气液流率比提出了破裂条件的良好预测模型。本工作对于矩形微通道内气泡的流动与破裂调控具有重要的指导意义。     

微通道内低浓度甲烷催化燃烧的数值模拟

矿井通风瓦斯是矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体,它是在煤的生成和煤的变质过程中伴生的气体,如今催化燃烧技术已成为处理矿井瓦斯最为有效的处理方法。文章模拟了不同入口预热温度、不同入口流速、不同甲烷体积分数以及不同通道尺寸大小对低浓度甲烷转化率及出口烟气温度的影响,发现提高入口温度、甲烷体积分数、降低入口流速以及减小通道尺寸可以提高甲烷转化率及出口烟气温度。     

水滴型凸肋通道内流动换热的数值模拟

通过三维数值模拟方法,研究了水滴型凸肋通道内的阻力和换热特性,并重点考察了尾缘角度对特性的影响。工况为Re=100～700,尾缘角度=25°、30°、35°和60°。结果表明:水滴型凸肋通道的流阻比圆柱型的小,换热性能比圆柱型的好,具有更好的综合性能。对于水滴型凸肋通道,尾缘角度对流阻的影响相对不明显,而对换热的影响较明显。不同Re下水滴型凸肋通道综合性能的最优解不同,当Re=400～700时,30°为最优,当Re=100～400时,60°为最优。     

水平圆形与方形微小通道内R134a冷凝数值模拟

利用数值模拟研究了水平圆形与方形微小通道内R134a的冷凝换热阻力特性,制冷剂饱和温度为320 K。结果表明:传热系数与摩擦压降梯度随着质量流量、干度的升高而升高,而干度大于0.85时,摩擦压降梯度随着干度的升高而降低。方形通道的换热与阻力均高于圆形通道,数值结果与文献冷凝换热、阻力公式吻合较好。圆形通道内冷凝液膜集聚在通道下部,而方形通道内液膜集中在角落区域。薄液膜区域所占的比例随着干度的增大而增大,方形通道内的液膜厚度要小于圆形通道,换热效果优于圆形通道。     

水平圆形与方形微小通道内R134a冷凝数值模拟

利用数值模拟研究了水平圆形与方形微小通道内R134a的冷凝换热阻力特性,制冷剂饱和温度为320 K。结果表明:传热系数与摩擦压降梯度随着质量流量、干度的升高而升高,而干度大于0.85时,摩擦压降梯度随着干度的升高而降低。方形通道的换热与阻力均高于圆形通道,数值结果与文献冷凝换热、阻力公式吻合较好。圆形通道内冷凝液膜集聚在通道下部,而方形通道内液膜集中在角落区域。薄液膜区域所占的比例随着干度的增大而增大,方形通道内的液膜厚度要小于圆形通道,换热效果优于圆形通道。     

T型微混合器内液相混合的数值模拟

T型混合器是微尺度条件下探索传递现象的理想模型,通过CFD方法对其内部流体力学性能及混合特征进行研究分析。首先,通过对不同Re数下T型微反应器内混合状态的模拟及分析,验证该方法对T型结构混合的可靠性;其次,通过对T型微反应器内流动形态的分析,发现涡结构的产生能够强化混合过程,并提出一种能产生强化混合的涡结构的新型T型反应器的设计理念;最后,对影响新型混合器的不同结构参数进行模拟并分析,得到该设计理念下的最优结构,并对该结构进行进一步分析,发现该结构能够扭曲混合界面以增大接触面积,从而强化混合效果。     

变截面通道内流动聚焦微液滴生成数值研究

化学分析研究的不断深入,对液滴微流控精度提出了更高的要求。设计了不同孔径尺寸的流动聚焦通道模型,模拟油-水两相流动剪切微液滴生成过程。采用Level Set方法处理两相流动界面,研究了流动聚焦模型下通道尺寸和油-水两相流量比对生成液滴尺寸的影响。研究结果对实现微液滴生成过程的精准操控具有一定的参考意义。