含内热源的多孔方腔流热耦合非正交 MRT-LBM数值模拟

针对含内热源的多孔方腔内自然对流现象问题,采用非正交多弛豫时间（MRT）格子Boltzmann方法进行了研究。分析了Rayleigh数（104 ≤ Ra ≤ 106）、内热源布局方式（水平、垂直及对角布局）、内热源几何尺寸大小（A=1/16,1/8,3/16,1/4）及两内热源间的间距（S=5/64,13/64,21/64）对流动传热的影响。结果表明:在Ra=104,105和S=5/64的情况下,任意内热源几何尺寸,内热源采用对角布局方式可获得更好的对流换热效果;在Ra=105,106和S=13/64,21/64的情况下,水平布局方式更优;在内热源采用水平布局,Ra=104的情况下,任意内热源几何尺寸,对流换热效果均随着内热源间距的增大而增强;而随着Ra增大,内热源几何尺寸减小,对流换热效果随着内热源间距的增大先增大后减小,而后随着内热源间距增大其对流换热效果减弱;对角布局也有相似规律,在其他条件一致的情况下,随着内热源几何尺寸的增加,其对流换热效果增强。      

流动应力计算对铝合金板材充液热成形性能影响

为研究流动应力计算对铝合金板材充液热成形性能的影响,进行了板材热态胀形试验,得到了不同直径的胀形高度-压力曲线。结合三坐标测量仪测得的胀形零件轮廓数据,拟合出了最小二乘圆（LSCF）半径,发现在高径比（h/a）范围（0.18 < h/a≤0.68）内,对应的曲率半径与圆形半径之间的圆形度误差为5%。为获取更为精确的应力-应变曲线,通过对现有曲率半径和厚度理论模型进行比较,结合流动应力计算,发现Hill及Panknin曲率半径模型的平均值及Kruglov-Hill厚度模型最符合试验数据。利用组合模型计算胀形试验所得到的胀形高度-压力曲线,得到了不同温度、不同压力率下的应力-应变曲线。结果表明,210℃时方向异性（轧制方向及垂直方向）对铝合金7075-O胀形件曲率半径的影响很小;同时,压力率可影响其应力-应变曲线。      

环形浅液池内低Prandtl数流体超临界热毛细对流演化

为研究低Prandtl数（Pr）流体热毛细对流演化过程，对环形浅液池内Pr=0.011的流体热毛细对流进行三维数值模拟.研究发现:当Marangoni数较小时，流动为轴对称稳态流动；当Marangoni数超过某一临界值后，流动失稳并转变为热流体波，其波数随Marangoni数增加而减小，而波动主频增大；随着Marangoni数增加，流动加强，沿周向运动的热流体波演变为沿径向运动的径向波，其波数大大减小；当Marangoni数继续增加时，波动频谱曲线噪声增加，呈广谱特性.因此，在计算范围内热毛细对流的演化过程为:轴对称稳态流动-热流体波-单周期径向波-多周期三维振荡流动.      

临近空间环境下封闭方腔内耦合换热特性

以临近空间浮空器载荷舱为应用背景,对复杂热边界条件下含热源的三维封闭方腔内自然对流、表面辐射和导热的耦合问题进行了数值模拟。综合考虑对流换热、长波辐射、太阳辐射等因素的影响,建立了临近空间热环境模型。通过Fluent软件用户自定义函数（UDF）引入外部非定常的辐射-对流耦合热边界条件,对腔内换热特性的昼夜变化进行研究,并分析了腔壁厚度、发射率和导热系数对其的影响。数值结果表明,腔内平均温度昼夜变化很小,约为12.9 K,但温度场分布随太阳方位变化而变化;腔内对流换热较弱,同一时刻最大温差约为71.3 K;腔壁热阻和发射率增加会削弱自然对流的强度。      

非均质壁面对液滴俘获能力的数值模拟研究

为研究不同非均质壁面对液滴的俘获能力,采用界面追踪法（FTM）结合广义滑移边界建立了接触角模型,对液滴在非均匀润湿的非均质壁面上的运动过程进行了数值模拟研究。液滴在倾斜壁面上受到重力作用由均匀润湿部分下滑至非均匀润湿部分,通过改变Bo数、Oh数、非均匀润湿程度研究了液滴在非均匀润湿区域的运动规律。研究表明:Bo数越大,液滴运动受壁面阻力影响越小,液滴下滑的速度越快,液滴越难以被俘获;Oh数越大,液滴运动受壁面阻力影响越小,液滴越难以被俘获;非均匀润湿程度越大,非均质壁面对液滴的阻力越大,液滴越易被俘获。      

低真空、微重力对空间装置中气体自然对流传热的相似影响

以空间装置中气体自然对流传热问题为目标,导出显含温度和压强两个独立热力学参数的Rayleigh 数和Knudsen 数的表达式,分析了各个特征压强段气体传热的不同状态,比较了在连续介质流动中低真空(压强大于10Pa)和微重力对空间装置中气体自然对流传热的相似影响,导出了气体压强与重力对低真空气体自然对流的影响的相似性关系式,由此可以推断低真空或微重力状态下气体自然对流的强弱的相互关系。     

全玻璃真空管型太阳热水器内流场的CFD模拟

全玻璃真空管型太阳热水器是技术相对成熟、应用最广的太阳能利用方式.通过对全玻璃真空管型太阳热水器内流场的计算流体力学模拟,研究了器内的对流换热过程,分析了真空管截面的流体流动速度分布,考察了真空管不同位置处的流体循环速度及箱体内水温对循环速度的影响.结果表明,随着流体温度的升高,器内出现随机的湍动涡流;涡流的存在将造成管内冷热流体的混和,对换热过程不利;在真空管内安置引流挡板将抑制流体的湍动,确保有序的热对流流动,提高对流换热效率.研究结果有助于剖析热水器内对流换热的机理,对技术革新提供参考.      

自然对流对相变材料熔化过程的影响分析

为分析自然对流对相变材料熔化过程的影响,建立了二维瞬态、固/液相统一的控制方程,采用SIMPLE算法对底部加热、顶部冷却的方腔内相变材料熔化过程进行了数值仿真,研究了方腔内温度场和速度场随时间变化规律,结果表明:自然对流使液相区等效导热系数增大;随着固液界面向上移动,液相区自然对流逐渐增强,流动状态不断变化.     

轴向通流旋转盘腔流动换热稳态实验与数值模拟

通过开展稳态实验及数值模拟探究了轴向通流旋转盘腔的流动结构与换热特性。通过改变流量系数、旋转雷诺数等参数,探究不同工况下旋转盘两侧及盘罩内侧壁面温度和努塞尔数的径向分布规律。结果表明:在轮缘加热的状态下,旋转盘两侧温度径向分布均呈凹函数形态,且旋转盘迎风面换热强度普遍高于背风面;后轴颈盘罩向两端旋转盘导热,其壁面温度径向分布呈"中间高、两侧低"的状态;随着轴向流量系数的增大,盘腔内部气体对流加剧,径向臂及涡对结构更加明显,旋转盘及轴颈表面换热效果增强;旋转盘腔内的流动换热特性受强迫对流和类Rayleigh-Benard对流2种机理的共同影响。      

低温射流抑制空间液氢储罐温度分层的数值研究

液氢是一种常用的沸点低、易蒸发的空间低温推进剂.空间微重力环境中浮力对流被极大减弱甚至完全抑制，当推进剂储罐壁面存在局部漏热时，储罐内部气液两相流会出现环绕漏热源的温度分层现象，引起局部过热沸腾，导致储罐内部压力急剧增大，危害系统结构安全.利用低温射流抑制温度分层现象是一种有效手段.低温流体通过设置在储罐内部的射流喷嘴与储罐内部的流体混合，消减局部高温，实现温度的均匀化.本文采用全充满的二维缩比储罐模型，对微重力条件下液氢储罐内局部漏热引起的温度分层现象进行数值模拟，分析低温射流条件对于消除微重力条件下液氢储罐内部温度分层效果的影响.      

Numerical study of forced convective heat transfer around a spherical aerostat

Forced convective heat transfer is one of the major factors that dominate the thermal behaviors of aerostats. Due to the large physical size, the convection around an aerostat has high Reynolds numbers. The existing forced convective heat transfer correlations are limited to the Reynolds number lower than 10⁵, which are not appropriate for aerostat applications. Therefore, it is necessary to obtain a convective heat transfer correlation applicable to spherical aerostats at high Reynolds numbers. In this paper, steady convective heat transfer from an isothermal spherical aerostat is numerically investigated. The numerical simulation is carried out by commercial computational fluid dynamic software with the Reynolds number from 20 to 10⁸. The average Nusselt numbers are obtained and compared with those of available in literature. Based on regression and optimization with software, a new piecewise correlation of Nusselt number is proposed. The verification shows that the new correlation is reliable.     

加热器喷管热-流耦合传热分析

针对加热器喷管中复杂的气、固、液多相流动传热问题,建立了三维热流耦合换热计算模型,分别对燃气、冷却剂和喷管室壁建立不同的控制方程,将辐射热量作为源项加入到方程中,进行流动和传热的耦合计算.采用此方法对美国AEDC(Arnold Engineering Development Center)喷管的流动传热过程进行了计算,数值计算结果与试验结果吻合较好.在此基础上对某超燃冲压发动机试验台水冷式加热器喷管的换热问题进行了三维数值模拟,并定量分析了辐射换热对加热器喷管壁面温度分布的影响.结果表明:冷却水流量取2.0 kg/s时,加热器喷管气壁最高温度为660K,膜温度为430 K,加热器能可靠冷却,其热效率满足试验要求,对于含有H2O和CO2这样的高温燃气,辐射热量对喷管壁面温度分布有较大影响,必须引入到温度场的求解之中.     

3种转角下旋转U形方通道的局部换热

在旋转数为0~0.26内用实验方法研究了转角对旋转U形方截面通道换热特性的影响.3种通道转角分别为0°,22.5°,45°.通道转角的变化引起了通道内哥氏力二次流的变化,继而导致通道各表面换热的变化.结果表明:随通道转角的增大,前缘与后缘之间努塞尔数的差异减小,而内侧面与外侧面之间的努塞尔数差异增大;在低旋转数下,转角的变化对U形通道换热的影响较小,但高旋转数下,转角的变化对U形通道换热的影响变得明显.      

带气膜出流叶片前腔内表面冲击换热数值模拟

采用数值模拟方法对不同雷诺数下静止状态涡轮叶片前腔带气膜孔出流的冲击流动与换热特性进行了研究.分析了叶片前缘冲击流动产生的不同涡团对其内表面换热的作用机理.计算结果表明:相同雷诺数下,叶片前缘内表面气膜孔附近的换热强化比高于通道的平均值.随着雷诺数增加,换热强化比有所提高.冲击流动与通道流动耦合而形成的波浪形涡区,极大地扩展了冲击强化换热区域.气膜孔出流的抽吸作用对冲击流产生影响,进一步扩大了冷却空气在前缘内表面的覆盖范围.气膜腔叶根处纵向截面的涡团阻碍了冷气向叶根方向扩展,降低了冷却效率;而横向截面的涡团则促进冷气与壁面热气的掺混,提升了换热效果.      

矩形通道中亚尺度肋片的流动换热数值分析

对装有不同结构亚尺度肋片矩形通道的流动和换热进行了数值模拟,获得了通道流场、温度场分布以及平均努塞尔数的基本特征,对各种肋片通道的换热特性进行了对比分析.计算结果表明:亚尺度肋片距主肋片根部越近越有利于散热;在远离热面区域,亚尺度肋片的比表面积越大传热效果越好.当扩展表面积相同时,亚尺度肋片的长宽比越大换热效果越好;计算结果及分析揭示了控制肋片最优几何形状的统一原则——广义温度梯度均匀化原则,并依照此原则确定了可以强化换热的较优的肋片结构.计算分析表明广义温度梯度均匀化原则可以控制对流换热过程的传热强化.      

随机误差对容腔瞬态换热试验影响分析及抑制

针对容腔瞬态换热试验中测试数据的随机误差被数据处理的差分过程放大的问题,定量分析了随机测试误差对换热特性的影响,并提出抑制方法。结果表明:容腔内壁面对流换热特性误差对瞬态温度随机误差最为敏感,导致换热特性试验结果不确定度高。将改进经验模态分解（EMD）算法应用于数据差分处理过程中可以有效抑制测试随机误差对换热特性的影响。在容腔充气过程中,采用误差抑制方法后,容腔壁面换热特性的最大误差从129.07%降到63.62%,时均误差从25.24%降到8.12%。      

高旋转数下光滑回转通道的换热特性

通过提高回转通道内气体压力到500 kPa以上,显著扩展了实验参数范围.实验雷诺数Re和旋转数Ro范围分别为10 000~70 000和0~2.08,完全匹配了真实发动机的Re和Ro.在此基础上实验研究了高旋转数下方截面光滑U型通道的换热特性.结果表明,在高旋转数下,旋转效应对通道进口和转弯段局部换热的影响比进口效应和弯道效应显著;第1通道后缘面换热随旋转数的增大而增强,而中下游前缘面在超过临界旋转数后换热增强;高旋转数下第2通道下游后缘面的换热强于前缘面.