两层液体Bénard-Marangoni对流的界面张力效应

采用PIV技术对两层流体Bénard-Marangoni对流进行了实验研究,得到了不同厚度比下的速度场,分析了界面张力在各种对流模式中的作用.和Rayleig-Bénard对流的三种临界对流模式相比,由于界面张力对上下层浮力对流的不同作用效果,使得更复杂的临界对流模式在Bénard-Marangoni对流体系中出现;在实验中首次观测到三层涡胞结构等现象.     

融化过程自然对流影响作用的实验研究

采用实验的方法对相变材料融化过程中自然对流的影响进行了研究,获得了自然对流作用下的融化速率与平均Nusselt数的准则关系式.结果表明,与纯导热模型相比,自然对流作用加速了融化的进行,建立导热-对流耦合传热模型对于准确预测融化过程具有一定的必要性.     

短时微重力环境下的浮力-热毛细对流

在NMLC落塔中,以大Pr数硅油作为实验介质,对短时微重力环境下矩形液池中的液面变形和浮力热毛细对流进行了初步的实验研究.观测了气液自由界面的变形过程,确定了重定位时间,并验证了毛细爬升的两个特征时间;通过实验发现楔形结构和挡板对于液面控制有一定的作用,但是要想获得更好的控制效果,还需要采取其它措施使内角处不满足Concus-Finn条件;运用PIV方法得到了液体内部对流速度场,观察到了在重力水平突变和液面大变形的条件下浮力热毛细对流的转变过程.     

环形液池浮力-热毛细对流表面振荡现象的临界温差

对于上部开口的环形液池,加载径向温度梯度将使气液接触面上表面张力分布不均匀,耦合于地面的重力作用,将会驱动薄层流体形成浮力-热毛细对流.当径向温度差△T达到某一临界值△Tc时,一定厚度的液层表面就会出现具有一定规律的振荡现象.实验采用高精度激光位移传感系统,测量了液池表面某点位移随液层厚度h和径向温差△T的变化曲线,讨论了浮力-热毛细对流表面振荡的临界温差及两种驱动力的耦合问题,进行了表面畸变参数的无量纲分析,考虑了起始环境温度对临界温差的影响,推导了振荡相对较强时液层的厚度范围.     

高阻塞比肋化通道对流换热特性实验研究

为了降低涡轮叶片温度以保证其安全性,采用实验方法对高阻塞比肋化通道内流动换热特性进行了测量。针对顺排和叉排两种肋化通道考察了多个主要影响因素对换热特性的影响规律,研究表明:(1)对于高阻塞比肋化通道,当流体在层流区域流动时,肋片对流体在通道内部对流换热的强化作用要明显高于湍流状态;(2)无论是顺排还是叉排肋化通道,当肋间距比为10时,其对应着最大的对流换热系数和最大的流阻损失;(3)在实验几何参数范围内,顺排肋化通道的对流换热系数和流阻系数均高于叉排通道;(4)在高阻塞比肋化通道中,流阻特性的变化规律和流动状态的转变规律基本与水力光滑通道相同。     

磁场对双层流体热毛细对流发展的影响

三维数值模拟了零重力时水平温度梯度作用下,B2O3封闭液与InP熔液组成的非混合双层流体热毛细对流的发展过程.研究了不同方向磁场对这种热毛细对流发展的影响,结果显示,在x,y,z三个方向磁场的作用下,流型结构发生明显变化,热毛细对流得到不同程度的抑制且温度分布趋于均匀,所加z方向磁场对热毛细对流的抑制效果最好.施加Bz=0.15 T～0.2 T之间某一强度的z方向磁场能够产生足够强的抑制作用,当磁场强度大于0.2 T时流场会发生数值上的不稳定.     

平行进气孔气膜冷却对流换热系数的实验研究(英文)

设计了单排,双排和三排分布形式和不同孔径的离散气膜孔结构,采用实验的方法分别对其对流换热特性进行了研究。研究结果表明,对流换热系数随着吹风比的增大而增大。在小吹风比时,沿冷却壁面的对流换热系数变化分为3个区段,在较大的吹风比或者孔径较大时,离散孔气膜冷却对流换热系数的分布规律与气流横掠平壁的对流换热规律基本相似。此外,在气膜孔当量直径一定的情况下,气膜孔的排列形式和吹风比均对对流换热系数有显著的影响。     

超临界压力正十烷对流传热实验及计算研究

针对主动冷却超燃冲压发动机的实际工作条件,利用电加热管设备开展了超临界压力正十烷流动和传热特性实验,目的在于获得适用于发动机传热设计的燃料对流传热关联式。管子材料为不锈钢、内径1.5 mm、外径3.0mm、长度1300mm。采用K型热电偶测量管壁沿程外壁温。实验中正十烷压力约4.0~4.3MPa,温度约335~870K,流量分别为0.93、1.24和1.86g/s。正十烷的流动经历了层流、过渡和湍流3种流态。采用最小二乘法拟合实验数据,获得了正十烷在3种流态下的传热关联式。通过外壁温计算值与实验值的对比,验证了本文给出的传热关联式的适用性。     

高温燃气加热器热特性研究

介绍了高温燃气加热器的工作原理,推导了结构在高温燃气作用下的二维共轭传热方程,应用Fluent软件对头锥结构在高温燃气作用下的流动传热特性进行了数值模拟,得到了不同来流温度和速度条件下结构温度分布情况以及外流场流动及传热特性,为高温燃气对流加热试验技术提供依据。     

反射激波作用下两种重气柱界面不稳定性实验研究

在水平方形激波管中对两种无膜重气柱界面(分别是SF6和氩气)在反射激波作用下的不稳定性发展进行了实验研究。气柱界面采用射流技术形成,实验采用连续激光片光源照射流场,乙二醇作为示踪粒子,并用高速摄像机对流场进行拍摄,获得了入射激波以及反射激波共同作用下,两种不同气柱界面的演化过程。实验结果表明,两种气柱的Atwood数不同,界面演化速率不同,反射激波到达前后的界面形态不同。SF6气柱在入射激波作用下会产生两个比较明显的反向的涡环结构,而氩气柱界面上由于产生的涡量较少,涡环结构并不明显。在反射激波作用下,SF6气柱界面会出现明显的次级涡对,而且次级涡对的旋转方向与初始涡环结构的旋转方向相反。对于氩气柱而言,在反射激波作用下虽然也产生了与初始涡环方向相反的次级涡对,但次级涡对始终未充分发展。这是因为反射激波作用时氩气柱界面的Atwood数较小导致氩气柱界面上产生的反向涡量较少。实验结果充分表明了气体Atwood数对界面不稳定性的发展起到了较大的影响。     

利用PIV方法测量半浮区液桥热毛细对流的速度场

利用PIV法对硅油液桥热毛细对流的定常速度场进行了实时测量。为了便于测量,液桥上桥端面采取了铜环中嵌透明材料的方法,从液桥的顶部进行观测。当液桥上下桥有温差时,热毛细对流出现;本实验对于不同上下桥的温差,对液桥横剖面内的速度场分别进行了测量,研究外加温差对于流场速度分布的影响;并且在液桥中取了几个典型横截面进行测量,以期对大Pr数液桥的定常速度场有比较全面的定量测量。此外,实验结果也可作为数值模拟计算结果的验证。     

反射激波作用下重气柱界面演化的PIV研究

在水平激波管中采用PIV方法研究了反射激波作用下SF6重气柱界面的发展演化。采用射流方法形成SF6无膜气柱界面,并以乙二醇作为示踪粒子。利用连续激光片光源结合高速摄影相机对流场进行显示,得到了反射激波作用下SF6气柱界面的发展过程。结果表明,入射激波的冲击会在界面上产生反向旋转的涡环结构,而反射激波的作用会在界面上产生与初始涡环旋转方向相反的次级涡环结构。此外,对反射激波作用后的流场图像进行PIV后处理,获得了流场连续的速度场和涡量场。获得的环量与已有的理论模型进行比较,取得了较好的一致性,也验证了本文实验方法的可行性。     

可压缩混合层密度梯度场特性的实验研究

利用纹影技术研究了不同对流马赫数(Mc=0.28,0.38,0.72)可压缩混合层密度梯度场的特性。由纹影图像可以看出:具有可压缩效应(高Mc数)的混合层存在不同程度的摆动。将纹影图像对比以后还发现:当Mc<0.3时,在可压缩混合层中发现了类似于Brown-Roshko的结构,混合层看不出明显的摆动;随着可压缩效应的增强(对流马赫数Mc>0.3),混合层开始摆动,并且随着对流马赫数的增大,混合层开始摆动位置向前移动。此外,还观察到不同对流马赫数下大尺度结构出现的区域有不同的特点。     

气液两相分层流剪切应力的不确定度分析

基于水平气液两相分层流的压力梯度、波状液层和气壁剪切应力实验数据,对两流体剪切应力进行不确定度计算,分析各不确定度分量对液壁和气液界面剪切应力结果的影响.由剪切应力可以直接计算分层流动量平衡方程的本构参数,对本构参数的关联作了合理的解释.气液界面剪切应力受液层高度和压力梯度的准确性影响较大,而液壁剪切应力却相反,和气液界面剪切应力最大程度相关.通过和实验数据对比发现,液壁摩擦因子无法像气壁摩擦因子那样可以用单相管流的指数型关系式来描述,而是应该结合气液界面摩擦因子建立一个基于两相各流体特征参数的有效关联式.     

冲击作用下液滴在环境液体中的变形破碎行为

采用基于液-液体系的坠落实验装置对冲击作用下单个液滴在环境液体中的变形破碎行为进行了实验研究。针对高速摄影捕捉到的5种液滴典型变形破碎模式进行了定量化考察和规律性分析。结果表明，液滴初始直径、液滴与环境液体的密度比和粘度比、界面张力系数以及坠落高度等实验参数相互组合可以得到相似的实验结果，其中We数是区分液滴变形破碎模式的关键参数。进一步研究液滴变形破碎模式与无量纲参数的依赖关系发现，在1 < We < 700、0.001 < Oh < 0.005的实验条件范围内，液滴变形破碎模式与Oh数无明显依赖关系，而在We数相近情况下，液滴变形破碎模式呈现明显的相似性。     

磨削工件表面含湿空气射流冲击的换热

针对磨削工件表面的射流冲击对流换热过程,一方面,通过数值研究,揭示旋转表面诱导的气旋和射流冲击的耦合流动换热特征;另一方面,通过实验研究,定量分析含湿空气射流冲击的强化换热效果。研究结果表明,当盘缘在射流冲击喷嘴附近的切向速度与射流冲击方向协调时,旋转盘诱导的气旋运动和射流冲击的耦合作用有利于改善磨削弧区的对流换热,随着转盘旋转速度的增加,其强化对流换热的效果更显著;采用含湿空气作为冲击射流可以显著提高加热壁面的冷却效果。     

不同密度梯度的多层流体界面上的Richt myer-Meshkov不稳定性研究

在气-液界面Richtmyer-Meshkov(R-M)不稳定性研究的基础上,利用不同流体间密度的差异,构造了空气-硅油-水、空气-酒精-硅油两种流体粘度方向迥异的气-液-液三相界面,实验中以氮气作为高压驱动气体,在不同激波马赫数下对这两种界面R-M不稳定性后期尖钉与气泡区发展进行了测量与统计,通过对实验数据的分析,得出了相关规律,并用这些规律与已有的单层气-液界面R-M不稳定性研究成果作比较,得出了异同点.同时,还研究了两种三相界面在R-M不稳定发展中的差异.实验结果表明:当流体的粘度梯度方向(从小到大的方向)与激波方向一致时,界面失稳更加明显,湍流混合更为显著.     

基于AFM胶体探针测量液固界面DLVO力及表面电势

表面电势是微纳流控芯片中流体流动的重要参数。本文介绍了基于AFM胶体探针技术测量液固界面DLVO力并进一步测量表面电势及表面电荷密度的方法。本文改进了胶体探针制作的技术手段，并提出用双探针法测量胶体探针的弹性系数。在0.1~1mM浓度范围内的NaCl溶液中，测量了硅、二氧化硅和氮化硅液固界面双电层内的DLVO力及表面电势。实验结果表明胶体探针技术可以很好地测量液固界面的DLVO力，尤其对静电力指数变化段非常敏感。通过DLVO力曲线可以间接测量表面电势、表面电荷密度等重要参数，是微纳流动及界面属性测量的有效手段。此外，在不同硅基材料表面的测量结果显示了硅烷醇基密度对表面电势起主导作用，可以通过选用不同硅烷醇基密度的材料来有效调控表面电势，从而在硅基材料制作的微流控芯片中调控电动流动的强弱。     

管流转捩对比态定律的讨论：层,紊流并存流态转捩现象

转捩对管内流动和换热有很大影响,Ｎ．Ｔ．Ｏｂｏｔ曾在总结归纳圆管、矩形管、三角形管和环形管实验结果的基础上提出对比态定律,并断言：对任意截面管道,只要知道临界摩擦因子和临界雷诺数,根据对比态定律,就可以计算其流动和平均换热特性。本文通过对复杂截面通道流动的研究,指出管流转捩的对比态定律只适用于单一流态管流,而不适用于层、紊流并存管流,文中还分析了层、紊流并存现象及其产生的原因,它的起始点和终止点的判定,以及流动和换热特性计算的处理方法。     

第三类边界条件下管内对流换热实验方法研究

典型的管内对流换热实验均在第一、第二类边界条件下进行。本文研究了第三类边界条件下，实验装置的设计、实验数据的计算整理方法并给出了实验实例。本实验装置简单，实验参数易测并且实验关联式更易于工程应用。