垂直矩形通道內(nèi)的混合對(duì)流實(shí)驗(yàn)與數(shù)值

對(duì)旋轉(zhuǎn)矩形通道內(nèi)的湍流流動(dòng)和換熱進(jìn)行了直接數(shù)值模擬.非穩(wěn)態(tài)n-s方程的空間離散采用二階中心差分法,時(shí)間推進(jìn)采用二階顯式adams-bashforth格式.分析了旋轉(zhuǎn)對(duì)通道截面上主流平均速度、截面流速以及截面平均溫度的影響,結(jié)果表明:在不考慮離心力的作用時(shí),隨旋轉(zhuǎn)數(shù)的增大,管道截面的平均速度減小,平均湍動(dòng)能減小,與靜止時(shí)相比,旋轉(zhuǎn)數(shù)為1.5時(shí)平均湍動(dòng)能減小了33%;在考慮離心力的影響時(shí),對(duì)于徑向旋轉(zhuǎn)軸向出流,平均速度增大,平均湍動(dòng)能增大,而對(duì)于徑向旋轉(zhuǎn)軸向入流,結(jié)果相反.在旋轉(zhuǎn)數(shù)為1.5時(shí),與不考慮浮升力相比,對(duì)于徑向旋轉(zhuǎn)軸向出流,平均湍動(dòng)能增大了17%,而對(duì)于徑向旋轉(zhuǎn)軸向入流,平均湍動(dòng)能減小了43%.

為了了解內(nèi)噴管為二維矩型的塞式噴管性能,設(shè)計(jì)了一個(gè)二單元的實(shí)驗(yàn)塞式噴管,并對(duì)模型進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究。數(shù)值模擬采用無波動(dòng)、無自由函數(shù)耗散(nnd)差分格式求解三維ns方程,利用空氣冷流實(shí)驗(yàn)方法評(píng)價(jià)了噴管性能。研究模型的內(nèi)噴管喉部面積為4×60mm2,內(nèi)噴管面積比為4,總面積比為24.05,設(shè)計(jì)壓力比為500。計(jì)算得到了正確的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和塞錐表面壓強(qiáng)分布,結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合很好,效率數(shù)值最大相差1%。模型的性能也比較理想:最大的推力系數(shù)效率為0.995,同鐘型噴管相比,具有很好的高度補(bǔ)償能力:從地面到高空,推力系數(shù)效率在0.97～0.995之間變化。不同壓強(qiáng)比下全錐塞式噴管的塞錐表面壓強(qiáng)分布規(guī)律,可以作為研究截短型塞式噴管塞錐壓強(qiáng)分布的基礎(chǔ)。

對(duì)寬度為1和0.1mm豎直矩形細(xì)通道內(nèi)的沸騰換熱展開研究,通過數(shù)值模擬的方法探索汽泡生成、長(zhǎng)大和脫離的過程;用幾何重構(gòu)和界面追蹤的方法獲取相界面移動(dòng)和變化對(duì)系統(tǒng)內(nèi)壓差以及平均表面換熱系數(shù)的影響,計(jì)算中考慮了重力、表面張力和壁面黏性的作用。發(fā)現(xiàn):通道寬度的不同對(duì)汽泡生長(zhǎng)方式和汽泡形態(tài)產(chǎn)生很大影響,并由此導(dǎo)致臨界熱流密度的變化;表面張力在細(xì)通道沸騰換熱過程中所起的作用要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于重力;隨著通道尺寸的減小,沸騰換熱系數(shù)明顯增大,證明了細(xì)通道有強(qiáng)化換熱的作用;由于數(shù)值計(jì)算中進(jìn)行的理想化假設(shè),導(dǎo)致數(shù)值模擬的沸騰換熱系數(shù)比現(xiàn)有細(xì)通道沸騰換熱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)普遍偏高。

輔助高速攝影儀對(duì)正方形小通道內(nèi)氮?dú)?水兩相流向上流動(dòng)進(jìn)行可視化觀察,對(duì)流動(dòng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,獲得了典型的流型圖像。采用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)流型圖像進(jìn)行了處理,檢測(cè)得到氣相的周長(zhǎng)、面積,并通過提出的假想圓柱體模型計(jì)算和統(tǒng)計(jì)得到了截面含氣率。將壓降實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果與典型的分相流、均相流壓降模型預(yù)測(cè)值比較,結(jié)果表明,chisholm關(guān)系式能較好地預(yù)測(cè)兩相流的壓降變化,lee&lee關(guān)系式和dukler關(guān)系式可較好地預(yù)測(cè)低表觀速度時(shí)的兩相流壓降。

對(duì)水平放置矩形截面螺旋通道內(nèi)彈狀流的流動(dòng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過實(shí)驗(yàn)獲得了不同周角下的氣彈演變過程和局部流動(dòng)特征,結(jié)果表明,其流動(dòng)特性會(huì)隨著螺旋周角位置的變化而變化。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),同一工況下,不同轉(zhuǎn)角氣彈的運(yùn)動(dòng)速度、頻率和長(zhǎng)度分布不盡相同。重力和離心力的相對(duì)大小決定著內(nèi)外壁面液膜的厚度,給出了同一條件下,不同時(shí)刻的液膜厚度的演變過程。最后對(duì)下降液膜的運(yùn)動(dòng)速度展開了分析研究,在螺旋上升過程中,液膜下降速度逐漸減小,在螺旋下降段,液膜速度明顯增大。

對(duì)水力直徑90.6μm、寬深比9.668的矩形硅微通道中的流動(dòng)冷凝過程進(jìn)行了可視化研究。研究發(fā)現(xiàn),寬矩形硅微通道中的冷凝,沿程主要有珠狀-環(huán)狀復(fù)合流、噴射流和彈狀-泡狀流等流型。在珠狀-環(huán)狀復(fù)合流區(qū),冷凝液膜可覆蓋通道豎直側(cè)壁,而在通道長(zhǎng)邊上,仍然為珠狀凝結(jié)。噴射流位置隨著入口蒸氣reynolds數(shù)的增大而延后,通道截面形狀對(duì)流動(dòng)冷凝不穩(wěn)定性也存在很大影響。噴射流之后為彈狀-泡狀流,彈狀氣泡沿程逐漸縮短,并在表面張力的作用下收縮成圓球形氣泡。冷凝通道的平均傳熱系數(shù)將隨著入口蒸氣reynolds數(shù)的增大而增大。

利用realizablek-ε湍流模型對(duì)帶缺口的梯形擾流片進(jìn)行流動(dòng)和傳熱特性的數(shù)值模擬,研究了梯形擾流片的缺口位置及流動(dòng)方式對(duì)矩形通道內(nèi)流場(chǎng)以及傳熱的影響,同時(shí)通過對(duì)渦量、流線、流速分布、壓力變化、湍流強(qiáng)度等的分析,揭示了擾流片強(qiáng)化傳熱的機(jī)理。結(jié)果表明,逆流時(shí)nusselt數(shù)比順流時(shí)提高了21.7%,同時(shí)摩擦因子也提高了25%。順流時(shí)內(nèi)側(cè)缺口繞流片提高了傳熱系數(shù)的同時(shí)也增加了摩擦阻力,而外側(cè)缺口的繞流片降低了傳熱系數(shù)同時(shí)也降低了形狀阻力。研究發(fā)現(xiàn)較低reynolds數(shù)下(10000<re<14000),逆流體現(xiàn)了較好的綜合性能,但較高reynolds數(shù)下(14000<re<20000),帶缺口的繞流片則表現(xiàn)更好的綜合性能。由于kelvin-helmholtz不穩(wěn)定性導(dǎo)致了繞流片頂端后緣產(chǎn)生自由剪切層并誘發(fā)了發(fā)夾渦;繞流片的前后壓差導(dǎo)致了流場(chǎng)內(nèi)流體的旋流運(yùn)動(dòng),形成了兩個(gè)縱向渦;擾流片背面的逆壓梯度產(chǎn)生了回流并形成回流渦。縱向渦強(qiáng)化了壁面與流動(dòng)中心的對(duì)流傳遞過程,發(fā)夾渦則強(qiáng)化了主流區(qū)的流動(dòng)混合,兩種渦的共同作用加速了壁面的熱量交換,實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)化傳熱。

在四種地基條件下,對(duì)剛性矩形涵洞進(jìn)行施工過程有限元模擬,分析涵洞土壓力變化規(guī)律,討論溝槽寬度和地基剛度對(duì)涵洞頂垂直土壓力的影響.結(jié)果表明,地基與回填土體彈模比相同條件下,洞頂垂直土壓力系數(shù)呈先曾后減的趨勢(shì);填土高與槽寬比相同條件下,洞頂垂直土壓力系數(shù)隨地基與回填土體彈模比的增大而增大;地基彈性模量增大時(shí),涵洞頂部的土壓力增大.

以垂直向上窄縫矩形通道內(nèi)去離子水為流動(dòng)介質(zhì),對(duì)單相等溫流動(dòng)及恒熱流密度條件下的單相傳熱進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明,窄縫矩形通道內(nèi)的單相等溫流動(dòng)特性及單相傳熱特性并未偏離常規(guī)尺度通道內(nèi)的相關(guān)規(guī)律,采用經(jīng)典理論解或關(guān)系式能獲得較好的預(yù)測(cè)結(jié)果。

本文以鍋爐干排渣裝置為背景,對(duì)抽象的理論模型具有隔板的平行通道內(nèi)空氣混合對(duì)流換熱進(jìn)行了數(shù)值模擬。數(shù)值計(jì)算表明,在re>1000時(shí)應(yīng)采用非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值模擬;在re>500時(shí),自然對(duì)流機(jī)制對(duì)流動(dòng)和換熱的影響基本可以忽略。數(shù)值計(jì)算給出了不同re時(shí)的進(jìn)出口無量綱壓差、局部的nu_x和平均nu以及流線圖。這些結(jié)果可為深入研究干排渣裝置中流動(dòng)和換熱特性提供參考。

采用ansyscfx商用軟件對(duì)帶肋矩形直通道內(nèi)的冷卻空氣換熱特性進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,并與文獻(xiàn)[4]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比,分析了雷諾數(shù)re和肋片角度對(duì)努塞爾特?cái)?shù)nu的影響。結(jié)果表明:nu數(shù)計(jì)算平均值與實(shí)驗(yàn)值的變化趨勢(shì)一致,但計(jì)算結(jié)果大于實(shí)驗(yàn)值;由于肋片的擾流作用,在兩個(gè)肋片之間的壁面區(qū)域產(chǎn)生了兩個(gè)旋渦,強(qiáng)化了冷卻空氣與固體壁面的換熱;隨著re數(shù)的增大,nu數(shù)增大,平均摩擦阻力系數(shù)也增大;當(dāng)肋片角度在45°～60°之間時(shí),冷卻通道的強(qiáng)化對(duì)流換熱效果最好。

鈣質(zhì)砂地基中桶形基礎(chǔ)垂直動(dòng)載響應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究——首先進(jìn)行了垂直靜極限承載力實(shí)驗(yàn)，為確定垂直動(dòng)載荷幅值的選擇提供參考。然后重點(diǎn)針對(duì)栽荷幅值和頻率的影響進(jìn)行了系列的室內(nèi)小模型實(shí)驗(yàn)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析，獲得了垂直動(dòng)載下桶形基礎(chǔ)在鈣質(zhì)砂地基中的響應(yīng)特點(diǎn)。...

可視化研究窄縫通道內(nèi)汽泡生長(zhǎng)和脫離對(duì)于揭示窄縫通道內(nèi)的沸騰傳熱機(jī)理具有重要意義。本文采用高速攝影儀從寬面和窄面可視化觀察了常壓條件下矩形窄縫通道內(nèi)汽泡核化生長(zhǎng)和脫離規(guī)律。研究結(jié)果表明,汽泡在核化點(diǎn)生長(zhǎng)時(shí),汽泡底部與加熱面存在一小的接觸面,總體而言,汽泡在生長(zhǎng)過程中基本呈球狀。在相同熱工參數(shù)下,不同核化點(diǎn)處汽泡生長(zhǎng)規(guī)律基本相同,但汽泡脫離直徑相差較大。窄縫通道內(nèi)汽泡生長(zhǎng)速率小,脫離時(shí)間較長(zhǎng),可采用修正的zuber公式預(yù)測(cè)窄縫通道內(nèi)汽泡生長(zhǎng)直徑。在同一拍攝窗口內(nèi),統(tǒng)計(jì)分析了熱工參數(shù)對(duì)汽泡平均脫離直徑的影響規(guī)律。隨熱流密度的增加,汽泡平均脫離直徑減小;隨入口欠熱度的增加,汽泡平均脫離直徑減小;隨主流速度的增加,汽泡平均脫離直徑減小。

采用高速攝像儀從寬面和窄面立體可視化觀察了滑移汽泡的運(yùn)動(dòng)特征。研究結(jié)果表明:汽泡脫離核化點(diǎn)后都沿加熱面平行滑移,在低熱流密度下存在典型滑移汽泡現(xiàn)象?；破菪螤羁傮w呈球形,其前后接觸角相差不大。汽泡脫離后初始一段時(shí)間內(nèi),滑移汽泡速度增加的較快,一定時(shí)間后,其速度值超過了當(dāng)?shù)亓黧w速度。隨著運(yùn)動(dòng)時(shí)間的繼續(xù)增加,滑移汽泡基本呈勻速運(yùn)動(dòng)。滑移汽泡的直徑越大,其運(yùn)動(dòng)速度也越大;主流速度越大,滑移汽泡平均速度越大,且主流速度增加后,滑移汽泡速度增加較快。

基于換熱器小型化的研究背景,對(duì)水在矩形窄通道內(nèi)流動(dòng)沸騰阻力特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究與分析,并利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)常規(guī)通道和窄通道的兩相摩擦壓降計(jì)算的6種方法進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明,應(yīng)用于常規(guī)通道的關(guān)系式已不適于窄通道中流動(dòng)沸騰壓降的計(jì)算,而基于窄通道的zhang-mishima及sun-mishima關(guān)系式預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值符合較好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析表明,利用分相流方法得到的分液相摩擦因子計(jì)算式中chisholm系數(shù)c與martinelli參數(shù)x存在指數(shù)關(guān)系,且隨著質(zhì)量流速的變化也有所不同,據(jù)此給出了新的分液相摩擦因子的計(jì)算方法,新方法具有更高的計(jì)算精度。

隨著城市交通的發(fā)展,無障礙的立體化交通成為時(shí)代的主流。對(duì)于人行系統(tǒng),地面上的人行天橋在景觀上的劣勢(shì)亦逐漸被地下過街通道所代替。同時(shí),考慮到不影響交通或盡量減小施工過程對(duì)交通的影響,非開挖方式,例如管幕管篷法、頂管法的應(yīng)用越來越多,尤其在短距離、管線多的地下工程中。對(duì)于規(guī)模不大的人行地道,頂管法幾乎成了地下過街通道施工方式的首選。該文以某人行過街通道工程為例,詳細(xì)介紹矩形頂管法的設(shè)計(jì)過程,可供類似工程參考。

對(duì)水平管道內(nèi)顆粒物運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究。應(yīng)用粒子圖像測(cè)速(piv)技術(shù),在不同的氣體流量下,對(duì)矩形管道在兩種不同結(jié)構(gòu)下的氣固兩相流的流動(dòng)情況進(jìn)行了測(cè)量,得到了平直通道和帶肋通道中氣體及固體顆粒的時(shí)均速度場(chǎng),并分析比較了管道結(jié)構(gòu)及氣體流量對(duì)速度和粒子沉積的影響,發(fā)現(xiàn)加肋有助于粒子的沉積,且使通道內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生了較大改變。對(duì)深入了解管道內(nèi)氣固兩相流動(dòng)狀況及數(shù)值模擬結(jié)果的評(píng)價(jià)提供了參考。

本文以去離子水為工質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),研究垂直矩形窄通道換熱特性。采用單側(cè)壁面加熱,改變工質(zhì)流動(dòng)參數(shù),分析沿流動(dòng)方向的壁面溫度分布特性和測(cè)溫點(diǎn)處的局部換熱系數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明:以對(duì)流沸騰為主的階段,換熱系數(shù)隨著質(zhì)量流速的增加而增加,入口溫度對(duì)于換熱系數(shù)基本沒有影響;當(dāng)干度χ0.1時(shí),換熱系數(shù)隨著干度的增加而基本保持不變。以核態(tài)沸騰為主的階段,換熱系數(shù)隨干度的增加而略微上升,隨入口溫度的升高而增加。

針對(duì)簡(jiǎn)諧脈動(dòng)層流條件下矩形通道內(nèi)的阻力特性進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究?；诿}動(dòng)條件下矩形通道內(nèi)層流流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型,分析了脈動(dòng)周期、脈動(dòng)振幅等因素對(duì)摩阻常數(shù)的影響,并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明:脈動(dòng)層流摩阻常數(shù)與脈動(dòng)周期、脈動(dòng)振幅、通道高寬比和流體性質(zhì)有關(guān);層流摩阻常數(shù)理論值與實(shí)驗(yàn)值相吻合,脈動(dòng)周期越小或相對(duì)振幅越大,層流摩阻常數(shù)的峰值越大、谷值越小,層流摩阻常數(shù)脈動(dòng)的幅度越大。

本文通過三維數(shù)值模擬的方法研究了混合對(duì)流作用下u型管管內(nèi)的換熱特性,分析了管內(nèi)截面自然對(duì)流對(duì)管內(nèi)層流換熱的影響及主流速度、壁面熱流密度和u型管傾角等參數(shù)對(duì)管內(nèi)混合對(duì)流換熱特性的影響。結(jié)果表明:與純強(qiáng)制對(duì)流相比混合對(duì)流作用下其管內(nèi)換熱系數(shù)顯著增大;在混合對(duì)流作用下,隨壁面熱流密度增大,管內(nèi)換熱增強(qiáng),但隨進(jìn)口流速或u型管傾角的增大時(shí),管內(nèi)換熱減弱。

微通道散熱器具有體積小、流速小、壓降小、散熱高等優(yōu)點(diǎn),隨著工業(yè)微型化的發(fā)展,微型散熱器的應(yīng)用越來越廣泛.已有的研究表明,微通道的散熱性能主要決定于微通道的幾何參數(shù)和流體的流動(dòng)情況,相對(duì)于三角形和梯形結(jié)構(gòu),矩形微通道具有更好的散熱性能.基于ansysworkbench有限元軟件,對(duì)長(zhǎng)度為40mm,不同截面尺寸的單通道內(nèi)流體流動(dòng)及傳熱性能進(jìn)行了數(shù)值模擬,給出具有較小壓降、較大散熱效率的微通道尺寸.對(duì)優(yōu)化后的模型計(jì)算分析,在一定流體流速和溫度的初始狀態(tài)下,基底給一定熱通量,經(jīng)過計(jì)算,散熱器可運(yùn)輸?shù)臒嵬枯^高,壓降較低,熱傳遞效率較大,散熱器具有良好的工作性能.

在機(jī)玻璃豎直矩形通道內(nèi)，以空氣和去離子水為工質(zhì)獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。據(jù)此對(duì)豎直矩形小通道內(nèi)均相流模型的適用性進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，采用mcadams兩相粘度時(shí)均相流模型及chen等提出的修正均相流模型能較好用于1．41mm間隙通道壓降的預(yù)測(cè)，平均絕對(duì)誤差分別為10．92％和12．20％；采用mcadams兩相粘度時(shí)均相流模型對(duì)于3mm間隙通道在兩相雷諾數(shù)jrp大于6000時(shí)平均絕對(duì)誤差為10．04％，但氣．液兩相脅較低時(shí)預(yù)測(cè)偏差較大。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到了均相流模型適用于3mm間隙通道的范圍；針對(duì)兩相re較低的區(qū)域擬合得到了新的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，其預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值符合較好。