半圓截面螺旋通道內(nèi)三維層流流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究

采用實(shí)驗(yàn)方法測試了三維內(nèi)肋螺旋管內(nèi)的流動(dòng)傳熱性能。實(shí)驗(yàn)用的螺旋管曲率δ=0.0663,測試段長1.15m,試驗(yàn)工質(zhì)為水。對螺旋光管和兩種不同結(jié)構(gòu)尺寸的三維內(nèi)肋管進(jìn)行了測試,測量的雷諾數(shù)范圍約為re=1000～8500。結(jié)果表明,三維內(nèi)肋對螺旋管內(nèi)的對流換熱仍然有較大的強(qiáng)化效果,同時(shí)流阻也有一定程度的增加。與未加肋的螺旋光管相比,在測試的流動(dòng)范圍內(nèi),兩種三維內(nèi)肋管的平均換熱強(qiáng)化比達(dá)1.71和2.03,熱力性能系數(shù)為1.2～1.66。

運(yùn)用k-ε紊流模型對空調(diào)硬座車內(nèi)三維流場和溫度場進(jìn)行了數(shù)值模擬。將人體散熱和太陽輻射作為能量方程的附加源項(xiàng),采用有限容積法和交錯(cuò)網(wǎng)格將計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散,用simple算法計(jì)算了空調(diào)硬座車內(nèi)空氣流動(dòng)與傳熱問題。研究結(jié)果為空調(diào)車內(nèi)氣流組織的優(yōu)化設(shè)計(jì)和舒適性評價(jià)提供了依據(jù)。

采用k-ε紊流模型模擬轎車空調(diào)系統(tǒng)暖風(fēng)機(jī)內(nèi)三維不可壓縮穩(wěn)態(tài)紊流內(nèi)流場空氣流動(dòng)及傳熱過程,為暖風(fēng)機(jī)性能分析、暖風(fēng)機(jī)內(nèi)渦流分析以及暖風(fēng)機(jī)操縱機(jī)構(gòu)受力分析提供了依據(jù)。

空調(diào)客車內(nèi)風(fēng)道三維湍流流動(dòng)特性數(shù)值研究——采用湍流模型，運(yùn)用區(qū)域擴(kuò)張的整體求解方法，模擬了擁有復(fù)雜結(jié)構(gòu)風(fēng)道內(nèi)的空氣三維流暢及其送風(fēng)口送風(fēng)特性，并對風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。

空調(diào)客車風(fēng)道內(nèi)湍流場的研究是空調(diào)客車風(fēng)道設(shè)計(jì)的依據(jù),同時(shí)探討風(fēng)道送風(fēng)特性也是車室內(nèi)氣流組織研究的基礎(chǔ)。采用k-ε湍流模型,運(yùn)用區(qū)域擴(kuò)充的整體求解方法,模擬了擁有復(fù)雜結(jié)構(gòu)風(fēng)道內(nèi)的空氣三維流場及其送風(fēng)口送風(fēng)特性,并對風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化

為了研究植物水分通道導(dǎo)管內(nèi)流等雷諾數(shù)小于1的微通道內(nèi)流流場特性,采用micro-piv試驗(yàn)測量技術(shù)和fluent軟件,通過設(shè)置合適的多孔介質(zhì)區(qū)域厚度與動(dòng)量源項(xiàng),建立多孔介質(zhì)模型模擬壁面粗糙元影響的數(shù)值模擬方法,在雷諾數(shù)分別為0.15,0.25和0.35時(shí),對斷面尺寸為400μm×400μm的方截面直微通道內(nèi)流流場進(jìn)行研究,并將試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果與直接對控制方程解析求解所得的解析解進(jìn)行比較.結(jié)果表明:微尺度通道往往具有壁面相對粗糙度高的特性,該特性對通道內(nèi)流場分布造成的影響,在雷諾數(shù)很低的情況下,仍然不可忽視.解析解是針對常規(guī)尺度通道推出的,未考慮微通道較高的相對粗糙度對流場的影響,雖然其流場速度廓線的變化趨勢與試驗(yàn)值相近,但其值在距離流道中心小于0.04mm的主流區(qū)小于試驗(yàn)值,而在距離流道中心大于0.04mm的近壁區(qū)大于試驗(yàn)值.采用多孔介質(zhì)模擬壁面粗糙元?jiǎng)t可以有效地實(shí)現(xiàn)對方截面直微通道低雷諾數(shù)內(nèi)流的模擬,試驗(yàn)值所得數(shù)據(jù)點(diǎn)與模擬值所成曲線重合.

空調(diào)鐵路客車室內(nèi)空氣湍流場、溫度場的研究是空調(diào)客車室內(nèi)氣流組織設(shè)計(jì)及車室內(nèi)舒適環(huán)境評價(jià)與研究的基礎(chǔ),本文采用k—ε湍流模型,固體區(qū)域應(yīng)用區(qū)域擴(kuò)充方法,對空調(diào)客車室內(nèi)三維空氣流場與溫度場分布進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,為空調(diào)客車室內(nèi)舒適環(huán)境的優(yōu)化研究提供了依據(jù)。

用直接數(shù)值方法對高效液態(tài)鋰鉛包層內(nèi)的金屬流體三維mhd效應(yīng)進(jìn)行分析。用投影法對包含洛侖茲力源項(xiàng)的不可壓navier-stokes方程求解,用相容守恒格式計(jì)算電磁力。研究了不同材料的流動(dòng)通道插件(fci)對金屬磁流體流速、mhd壓降和電流流線分布的影響。主要分析了以下三種情況:無fci插件的通道內(nèi)的流動(dòng)狀況;加入絕緣材料(碳化硅)的fci插件的通道內(nèi)的流動(dòng)狀況;加入導(dǎo)電材料制成的fci插件的通道內(nèi)的流動(dòng)狀況。驗(yàn)證了包層內(nèi)部通過加入絕緣的fci可以有效地降低金屬磁流體的mhd壓降。對于絕緣fci壓力平衡槽位于側(cè)層的情況,由于壓力平衡槽內(nèi)部電流密度較大,在壓力平衡槽位置,有很大的逆流出現(xiàn)。

空調(diào)車室內(nèi)空氣的速度場、溫度場研究是空調(diào)車室內(nèi)氣流組織設(shè)計(jì)及車室內(nèi)舒適環(huán)境評價(jià)與研究的基礎(chǔ)．空調(diào)客車運(yùn)行環(huán)境惡劣，太陽輻射作用及復(fù)雜的車室內(nèi)部結(jié)構(gòu)等直接影響客車室內(nèi)的溫度場與空氣速度場分布．采用κ－ε紊流模型及貼體坐標(biāo)，應(yīng)用整體求解法計(jì)算了空調(diào)車室內(nèi)氣固耦合傳熱問題，采用ｍｏｎｔｅｃａｒｌｏ法分析計(jì)算了太陽透射輻射在車室內(nèi)各固體表面引起的附加熱流變化，并以此作為能量方程的附加源項(xiàng)，對空調(diào)客車室內(nèi)三維空氣流場與溫度場分布進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，為空調(diào)客車室內(nèi)舒適環(huán)境的優(yōu)化研究提供了依據(jù)

為了防止和消除雙向流道泵裝置進(jìn)水流道內(nèi)的漩渦和渦帶,確保水泵機(jī)組的安全運(yùn)行,在雙向進(jìn)水流道底部泵進(jìn)口下方加設(shè)曲線導(dǎo)流墩。通過cfd軟件對設(shè)導(dǎo)流墩的雙向流道泵裝置內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬,獲得泵裝置內(nèi)部的三維流動(dòng)速度場,并預(yù)測了泵裝置的性能。結(jié)合模型泵裝置試驗(yàn)的內(nèi)外特性,著重研究了雙向進(jìn)水流道的出口流速分布及其對泵裝置性能的影響。計(jì)算結(jié)果表明加設(shè)導(dǎo)流墩的雙向進(jìn)水流道出口斷面流速分布較為均勻,流速均勻度達(dá)到93%,滿足水泵運(yùn)行的需要;裝置性能良好,最優(yōu)工況點(diǎn)的裝置效率為68.89%。模型試驗(yàn)觀測顯示導(dǎo)流墩的設(shè)置有效地防止水泵進(jìn)口下方渦帶的產(chǎn)生,在各種試驗(yàn)工況下進(jìn)水流道內(nèi)均未發(fā)現(xiàn)渦帶,水泵運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)無振動(dòng),可保證機(jī)組安全可靠運(yùn)行。比較進(jìn)水流道出口流速分布的計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果,二者在總體結(jié)構(gòu)上相近,數(shù)值模擬對泵裝置性能預(yù)測結(jié)果在最優(yōu)工況點(diǎn)與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

采用三維紊流模型,應(yīng)用有限容積法計(jì)算了室內(nèi)空調(diào)的氣固耦合傳熱問題,并對室內(nèi)空調(diào)的氣流組織形式,主要是對流速場,溫度場進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算,為空調(diào)室內(nèi)的氣流組織形式的優(yōu)化設(shè)計(jì)及舒適性提供了研究依據(jù)。

采用三維紊流模型,應(yīng)用有限單元法計(jì)算了空調(diào)列車(硬座車)室內(nèi)氣固耦合傳熱問題,對空調(diào)列車室內(nèi)氣流組織,主要是速度場和溫度場進(jìn)行了數(shù)值模擬.研究了送風(fēng)方式和送風(fēng)速度對空調(diào)列車室內(nèi)流場的影響,以及送風(fēng)溫度對空調(diào)列車室內(nèi)溫度場的影響,為空調(diào)列車室內(nèi)氣流組織優(yōu)化設(shè)計(jì)及舒適性研究提供了依據(jù)

利用phoenics數(shù)值模擬軟件與piv實(shí)驗(yàn)技術(shù)結(jié)合方法,分析不同質(zhì)量濃度、流量、工作介質(zhì)的螺旋分離器螺旋流流場分布、壓力場分布和渦量分布.結(jié)果表明:在螺旋分離器螺旋流中,其切向速度遠(yuǎn)大于軸向速度、徑向速度,但徑向速度很小,一般可以忽略;隨著流量、聚合物質(zhì)量濃度的增加,壓力下降速度也增大;在螺旋分離器內(nèi)部壓力呈階梯狀下降,且壓力變化并不均勻,靠近螺旋入口端的壓力變化小于靠近螺旋出口端的;渦旋并沒有在整個(gè)螺旋葉片間的旋轉(zhuǎn)流道內(nèi)產(chǎn)生,只是產(chǎn)生在貼近葉片上壁和下壁處,即在近壁處更易產(chǎn)生渦旋.該結(jié)果可為螺旋分離器內(nèi)部螺旋流流場的研究提供借鑒.

實(shí)際工程項(xiàng)目的特殊幾何布局要求應(yīng)答器處于特殊金屬腔體結(jié)構(gòu)中,這嚴(yán)重阻礙了應(yīng)答器與閱讀器之間的正常電磁傳播。為解決該特殊幾何布局下,收發(fā)兩端電磁耦合難問題,一款新型的短距離無線通信發(fā)射天線———半圓螺旋天線被用于取代傳統(tǒng)的直螺旋線圈,有效地實(shí)現(xiàn)了閱讀器與應(yīng)答器之間能量和數(shù)據(jù)的一體化同步傳輸;該天線工作于13.56mhz、有效作用距離可達(dá)100mm.利用ansoft公司有限元法求解工具-高頻結(jié)構(gòu)仿真器(hfss),給出了半圓螺旋天線優(yōu)化設(shè)計(jì)流程及主要工作特性,為同類問題提供了實(shí)際可參考的工程解決方案。

通過實(shí)驗(yàn)與三維數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,對內(nèi)置螺旋線圈平行平板通道的流動(dòng)及傳熱特性進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)相對于無擾流填充物的平板通道,螺旋線圈的應(yīng)用能夠顯著地強(qiáng)化傳熱,相同re數(shù)下nu數(shù)增幅為29%~141%,相應(yīng)地阻力系數(shù)增幅為26%~175%。數(shù)值模擬的結(jié)果顯示,流體受螺旋線圈的誘導(dǎo)可產(chǎn)生多縱向渦流動(dòng),增強(qiáng)了速度在垂直于壁面方向的分量,同時(shí)導(dǎo)致溫度場發(fā)生明顯改變,使得速度場與溫度梯度場的協(xié)同性能得到提升,從而強(qiáng)化了傳熱。在700<re<7500的范圍內(nèi),通過對流動(dòng)換熱綜合性能參數(shù)的比較發(fā)現(xiàn),在re數(shù)較小時(shí),強(qiáng)化傳熱后換熱效果的提升要大于流動(dòng)阻力的增加,而在re數(shù)較高時(shí)則相反。

通過建立數(shù)學(xué)模型,對大寬高比矩形通道單相低頻脈動(dòng)層流流動(dòng)特性進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明:低頻率流量脈動(dòng)未引起流體的速度分布變化,壓降與流量間存在相位差,相位差僅與通道窄邊尺寸、流體粘性及脈動(dòng)周期相關(guān)。脈動(dòng)周期及流體粘性越大,相位差越小;窄邊尺寸越大,相位差越大。通過建立模型對上述現(xiàn)象進(jìn)行了分析。

對s/d0=2.0,s/d0=2.5和s/d0=3.0的同軸環(huán)形通道螺旋管換熱器分別進(jìn)行了流動(dòng)特性及阻力特性的實(shí)驗(yàn)研究,并和圓形管道的理論值進(jìn)行比較。得出流體流速、壓力、流量及同軸環(huán)形通道的幾何參數(shù)等對同軸環(huán)形通道流動(dòng)特性的影響。結(jié)果表明:在環(huán)隙寬度s和螺旋管外徑d0相同的條件下,隨著雷諾數(shù)re的增加,環(huán)形通道的進(jìn)口阻力系數(shù)ξin、出口阻力系數(shù)ξout和總阻力系數(shù)ξz逐漸減小并逐漸趨于一定值;外圈環(huán)形通道的ξin、ξout、ξz均比中圈和內(nèi)圈環(huán)形通道的大,但中圈和內(nèi)圈環(huán)形通道的ξin、ξout、ξz相等;相同雷諾數(shù)條件下,s越小,流體在環(huán)形通道流動(dòng)時(shí),流體的進(jìn)出口壓力降δp就越大。

構(gòu)造了三維歐氏空間r~3中的螺旋面,該螺旋面平均曲率h和gauss曲率k滿足線性關(guān)系lh+k=c(l≠0),并討論了這類曲面的廣泛存在性。

在較寬的實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)(系統(tǒng)壓力p=8～15mpa,質(zhì)量流速g=800～1800kg·m~(-2)·s~(-1),壁面熱流密度q_w=200～950kw·m~(-2))對一立式螺旋管內(nèi)(管內(nèi)徑為10mm,螺旋直徑為300mm,節(jié)距為50mm)汽水兩相流動(dòng)沸騰干涸特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過研究,獲得了干涸發(fā)生時(shí)螺旋管圈壁溫的分布特征以及壓力、質(zhì)量流速和壁面熱流密度這三個(gè)參數(shù)對臨界干度的影響規(guī)律。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,提出了一個(gè)適用于計(jì)算螺旋管內(nèi)高壓高含汽率工況下汽水兩相流臨界干度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。

在管內(nèi)徑9.0mm、壁厚1.5mm、螺旋管繞徑283.0mm的立式螺旋管內(nèi),對co2流動(dòng)沸騰換熱特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。分析熱流密度(q=1.4~48.0kw/m2)、質(zhì)量流速(g=54.0~400.0kg/(m2·s))和運(yùn)行壓力(pin=5.6~7.0mpa)對內(nèi)壁溫分布和換熱特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明:螺旋管內(nèi)壁溫周向分布不均勻,單相液體以及過熱蒸汽區(qū)離心力的作用使內(nèi)側(cè)母線溫度最高、外側(cè)母線溫度最低,在兩相沸騰區(qū)蒸汽受到浮升力作用聚集在管上部而容易發(fā)生蒸干,因此上母線溫度最高,溫度最低值則由離心力和浮升力的相對大小共同決定。局部平均換熱系數(shù)隨熱流密度以及進(jìn)口壓力的增加而顯著增加,但增大質(zhì)量流速對換熱系數(shù)的影響不大,表明核態(tài)沸騰是co2在螺旋管內(nèi)流動(dòng)沸騰的主要傳熱模式而強(qiáng)制對流效應(yīng)較弱;發(fā)現(xiàn)了隨著熱流密度增加所引起的核態(tài)沸騰強(qiáng)度變化以及干涸和再潤濕使得換熱系數(shù)隨干度的變化可分成3個(gè)區(qū)域。并基于實(shí)驗(yàn)獲得的2124個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合兩相區(qū)沸騰換熱關(guān)聯(lián)式。

為了考察陰離子型表面活性劑十二烷基硫酸鈉(sds)對氣液兩相螺旋管流流動(dòng)特性的影響,該文用實(shí)驗(yàn)研究了不同濃度的sds溶液體系氣液兩相螺旋管流的流型轉(zhuǎn)變及壓降規(guī)律。實(shí)驗(yàn)裝置為由有機(jī)玻璃圓管制成的長2m內(nèi)徑23mm的實(shí)驗(yàn)段,以sds水溶液和空氣為實(shí)驗(yàn)介質(zhì),氣液相折算流速均為0―2.5m/s,sds溶液質(zhì)量濃度10―90mg/kg,螺旋流由5種不同型號的金屬螺旋葉輪誘導(dǎo)產(chǎn)生。利用直接觀察和高速攝像相結(jié)合的方法觀測流型的變化,并用液柱式壓差計(jì)測量實(shí)驗(yàn)管段上下游間壓差,實(shí)驗(yàn)在常溫常壓條件下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)共得到螺旋線狀流、螺旋波狀分層流、螺旋軸狀流、螺旋彌散流4種流型,與未添加表面活性劑體系相比較,并未得到螺旋泡狀流和螺旋團(tuán)狀流這兩種流型。同時(shí),隨著sds溶液濃度的增大,氣液兩相螺旋流逐漸向螺旋彌散流流型轉(zhuǎn)變,這是因?yàn)榈蜐舛鹊膕ds溶液隨著其濃度的增大,氣液界面張力逐漸減小,而氣液摻混程度則會(huì)不斷增大。此外,與未添加表面活性劑體系相比較,添加了sds體系的氣液兩相螺旋管流壓降梯度將會(huì)減小。最后,闡述了氣液兩相螺旋管流強(qiáng)化天然氣水合物生成的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀,并針對多相流研究現(xiàn)狀,提出了氣液兩相流相間傳熱特性應(yīng)成為今后研究熱點(diǎn)等建議。

通過實(shí)驗(yàn)測試,研究架空通風(fēng)屋頂內(nèi)有二根橫梁時(shí),架空通風(fēng)屋頂內(nèi)氣流流動(dòng)特性及局部阻力系數(shù)ζ的理論計(jì)算式,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,橫梁高與架空通風(fēng)屋頂高之比m在0.6≤m≤0.8,靜壓層內(nèi)速度為0.4≤ν≤1.0m/s,8.15×103≤re≤2.04×104范圍內(nèi),局部阻力理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值非常接近,可以利用理論公式ζ=(1/k1-h/h1)2+(h/k2h1)2計(jì)算局部阻力系數(shù)。