基于电磁流体动力搅拌器的微流道混合研究

对于许多微流体装置来说,流体的混合是至关重要的。为了实现微流体混合控制,对基于电磁流体动力学原理的微流道主动混合控制方法进行了研究。该方法中使用了一个混合室,在动态洛伦兹力的作用下,混合室内流体往复周期的运动。流体速度的周期性变化使流体分界面折叠,从而使流体接触面增加。用CCD记录设备记录了流体的快速混合过程,并对流体的混合程度进行定量分析。     

电磁控制涡激振荡的实验研究

利用电介质溶液中圆柱体侧表面附近分布的电磁场产生电磁力可有效改变流体边界层及尾涡结构。本文以减振为目标,对电磁力控制涡激振荡进行了实验研究。实验在转动水槽中进行,通过吊杆将装有电磁激活板的圆柱插在槽内液体中。吊杆上的应变片用于测试圆柱的升力,注入适当的染料用来显示流场。结果表明：对称电磁力作用下,脱体涡被抑制,从而使升力的振荡受到有效抑制,进而抑制圆柱的振动,双排方向相反的涡变为单排正负交错的涡。当电磁力足够大时,圆柱的振荡被完全消除,流场达到定常。     

电磁力控制翼型失速的实验研究

将条状电极和磁极交错布置的电磁场激活板置于弱电解质溶液中,在流体边界层上产生具有明显分布特征的电磁力（Lorentz力）,利用电磁力可以改变流体边界层的结构,控制边界层的流动脱落与分离,可以增加翼型升力,减少其阻力,实现对翼型失速的控制。利用电磁力控制流体边界层的方法属流体主动控制方法之一。本文首先基于电磁场和流体的基本方程,对置于弱电解质中的不同极板宽度的电磁激活板周围的电磁场及产生的Lorentz力进行了数值模拟;其次,通过实验来验证此方法的有效性。将包覆有电磁激活板的翼型置于弱电解质溶液中,利用基于TMS320F2812（DSP芯片）组建的翼型失速实验控制系统来灵活改变翼型的迎角和转速,测量升力和阻力的变化;实验结果表明,正向电磁力能够有效地抑制和延缓翼型失速现象的发生。     

利用micro-PIV测量矩形微管道内流量

利用微观粒子图像测速技术（micro-PIV）测量了矩形微管道内低雷诺数下速度矢量场,并以此为基础计算微管道内流体体积流量。微管道水力直径为83μm,横截面深宽比为0.155,长度为17mm。实验中获得雷诺数分别为47、127和215三工况下管道中心水平截面内速度分布。与理论速度剖面比较,管道中心的测量速度值吻合很好,偏差控制在±2%以内。利用中心速度值结合层流解析解计算微管道内平均流速和体积流量。经过误差分析得到该方法测量误差约为3.3%。实验结果表明,利用micro-PIV技术完全可以实现微通道流量的高精度测量。     

微混合器内混合过程的研究

微流体控制系统由于其尺寸微小、控制精度高、响应速度快、易于小型化和自动化、效率高等特点,它的发展和完善为航空航天、医学实验以及化学化工过程的测试提供强有力的技术平台。在微尺度范围内,表面积与体积的比例大于1,表面张力与粘性力占有主要地位,混合过程主要靠分子扩散,过程进行的较慢,因此,微混合腔一般都加工出一些扰流装置,对流体产生机械扰动作用,从而在短时间内达到较好的混合效果。本文对一个双向进口的微型圆柱混合器的混合过程进行了数值模拟,并与实验结果进行了对照。结果表明,微混合器没有设置专门的扰流装置,采用两侧切向进流体,在混合器内能够产生强烈的扰动,加剧混合过程。研究表明,混合效果并不是随着雷诺数增大而增强,只有在一定的雷诺数范围内,才能够得到均匀的混合效果。     

高速异步电主轴电机的电磁噪声分析

采用有限元法分析了高速异步电主轴电机定子结构的动力学特性(振型、固有频率),分别采用解析法和有限元法分析了电机在额定转速60 000 r/min下空载和负载的电磁力波,利用傅里叶变换对径向气隙磁密和径向电磁力波进行了谐波分析,得到了不同阶次不同频率下的谐波幅值。还将得到的电磁力波加载到电机定子相应节点处,对高速异步电主轴电机进行了电磁振动和声场分析,并计算出电机在空载和负载情况下产生的电磁噪声。     

微混合器内混合过程的数值模拟

对一个双向进口的微型圆柱混合器的混合过程进行了数值模拟,并与实验结果进行了对照.结果表明,该微混合器没有设置专门的扰流装置,仅采用两侧切向进流体,两种流体在混合器内产生了较好的混合效果.研究表明,混合效果并不是随着雷诺数增大而增强,只有在雷诺数小于90的范围内,才能够得到均匀的混合效果.      

电磁力控制翼型体绕流的数值研究

为考察包覆电磁激活板的翼型体绕流特性,采用数值模拟的方法研究了低雷诺数下电磁力对翼型体流场结构和绕流过程的影响,探讨了不同迎角和不同电磁力大小对翼型体尾流涡街形态和流体边界层结构的影响。计算结果表明,作用于翼型体表面的电磁力可以明显改变流体边界层的结构,抑制边界层分离,并有效提高翼型体的升力。     

电磁力作用下槽道流速度响应的放大机理

在电解质溶液中,电磁场产生的电磁力可以控制流体的运动,从而达到很好的减阻、增升、减振等效果。但由于所施加的电磁力较大,导致控制效率很低,因此以较小的电磁力诱导出大的流动响应成为提高流动控制效率的关键。以层流槽道流动作为研究对象,在槽道的下壁面施加沿展向余弦分布的展向电磁力,推导了线性条件下流向响应速度的解析解,并通过直接数值模拟对非线性条件下的响应进行了计算。结合解析解和数值解,揭示了流场中速度响应的放大机制,讨论了电磁力和流场参数对响应放大效果的影响。结果表明:当振幅较小时,速度响应处于线性范围内,其放大倍数与Re~2成正比,随着渗透深度的增大,先迅速增大后缓慢减小;随着展向波数Kz的增大单调减小。随着振幅的增大,放大倍数进入非线性范围,其值逐渐减小,但速度响应值先增大后减小。在振幅处于10~(-3)～10~(-2)量级时,速度响应可达到的最大值超过0.2,此时的放大倍数在102量级。因此,利用流场的放大效应,是实现高效流动控制的重要环节。     

液态甲烷管道预冷过程的仿真研究

低温推进剂液体火箭发动机在推进剂加注时需要进行管道预冷以避免推进剂气化。为揭示管路预冷过程中低温流体的两相流动特性,针对小型液氧/甲烷发动机液态甲烷管道的预冷过程进行了研究。采用Lee蒸发模型,模拟并分析了不同入口流量下的湍流传热过程,得到了管道预冷过程中甲烷的体积分数、温度、压力和速度的变化规律。结果表明：在管道预冷过程中,液态甲烷会发生闪蒸现象,甲烷的温度和压力的变化是影响闪蒸的主要因素;在低流量时,预冷时间与质量流量呈负相关,当质量流量增大到一定程度后,预冷时间趋于稳定值。研究结果可预示容许时间内的最优预冷流量,对提高预冷效率和改进低温推进剂加注过程具有指导作用。     

波瓣喷射器强化混合的数值研究

利用FLUENT CFD(computational fluid dynamics)数值计算软件,对波瓣喷射器中无化学反应异类气体的混合过程进行了数值研究,二氧化碳气体作为主流从波瓣状狭缝中喷出,与同向空气流在混合管内进行混合.获得了两股气流相互混合过程中的速度分布、流向涡分布、组分分布等相关信息,分析了波瓣喷射器结构参数对流向涡环流强度的影响.波瓣喷射器诱导的流向涡强化了同向流动气体之间的混合效率,组分分布较为均匀.      

喉部不对称对微喷管性能影响

以FLUENT 6.1软件为工具,利用数值计算求解二维稳态可压缩Navier-Stokes(N-S)方程,模拟了微喷管内超声速流体流动,分析了喷管喉部结构不对称对喷管内部的流场和喷管性能的影响.这种喉部结构不对称是由于喉部上下顶点在x方向偏离一定距离所造成的.数值计算结果表明,喷管喉部在流体流动方向的不对称,将导致喷管内部流体流场不平衡性,使得流量增大,喷管出口的x方向推力增加,y方向产生了多余的推力.      

跨声速轴流压气机特性全三维粘性流动分析

应用Steger-Ｗarming通量分裂技术,将守恒型方程中的流通向量分裂成两部分,应用 NND格式对无粘项进行数值离散,粘性项采用中心差分格式,采用LU-SGS隐式推进迭代建立了跨声速轴流压气机性能及内流场三维N-S方程的高分辨率和高效率的数值方法。数值模拟给出NASA ROTOR37和NASA ROTOR67性能及内流场流动结构。并进一步基于混合平面法建立了多级轴流压气机性能计算模型,详细分析了某一级跨声速轴流压气机性能和内流特性,计算与实验结果比较表明了本模型与方法是可行的和可靠的。     

中心支板式RBCC发动机引射模态流动与燃烧研究

为了深入认识引射模态工作机理,针对中心支板式RBCC发动机,在飞行马赫数2、不同内置火箭流量时的工作情况进行了全流道一体化的数值模拟,并对其内流场特征、火箭射流/引射空气掺混发展特征以及复合型释热规律和火焰结构等开展了详细分析。研究发现:RBCC发动机引射模态下的流动掺混燃烧过程是一个复杂且高度耦合的过程。在即时预混燃烧(SMC)模式下,燃烧过程主要在内置火箭射流与来流空气之间形成的剪切层内进行;流道上游剪切层厚度较薄,温度和组分浓度梯度较大,掺混速率快;高释热区集中分布在流道上游,可分为超声速释热区和亚声速释热区;流道内的燃烧反应以扩散燃烧为主,随着掺混过程的进行逐渐向预混燃烧过渡。提高火箭流量,流道内温度升高,反应持续距离增加,但掺混效率降低。     

跨声速轴流压气机特性全三维黏性流动分析

应用Steger-Warming通量分裂技术,将守恒型方程中的流通向量分裂成两部分,应用NND(non-oscillatory,containing no free parameters and dissipative)格式对无黏项进行数值离散,黏性项采用中心差分格式,采用LU-SGS(lower-upper symmetric Gauss-Seidel)隐式推进迭代建立了跨声速轴流压气机性能及内流场三维Navier-Stokes方程的高分辨率和高效率的数值方法.数值模拟给出NASA rotor 37和NASArotor 67性能及内流场流动结构.并进一步基于混合平面法建立了多级轴流压气机性能计算模型,详细分析了某一级跨声速轴流压气机性能和内流特性,计算与实验结果比较表明了本模型与方法是可行的和可靠的.      

双级风扇三维粘性非定常流动的数值解

针对一台双级跨音速轴流风扇动静叶片排相互干扰的三维非定常流动,进行了N-S方程的数值求解。首先计算风扇定常流场,以定常流收敛结果为起始场计算非定常流动。计算结果表明,非定常流动对各叶片排进口气流角有较大的影响,其中静叶的变化大于动叶,与定常流结果相比,非定常的瞬态攻角增大的量大于减少的量,最多时增大近10°左右。静子叶片受到的非定常气动力变化幅度也大于转子叶片,叶片排所处的轴向位置不同,非定常流动的影响会有较大的差别。      

波瓣喷管-狭长出口弯曲混合管引射混合特性分析

针对波瓣喷管和具有狭长出口的弯曲混合管所构成的引射-混合系统,进行了引射和混合特性的实验和数值研究,获得了主流和引射气流相互混合过程中的速度场、压力场和温度场的相关信息,以及表征引射-混合系统总体性能的引射系数和总压恢复系数等结果,对比表明数值计算和实验数据的相对误差在15%以内。由于弯曲混合管的出口狭长,弯曲混合管的混合流动受到流向旋涡和弯管二次流的共同影响,形成了有别于常规椭圆形出口截面混合管的一些独特的流动现象和特征。      

高超声速复杂气动问题数值方法研究进展

高超声速流场具有复杂流动特征,其中真实气体效应、磁流体干扰效应和力热结构耦合效应等对气动力分析产生了重要影响。将流体力学研究扩展到分子动力学、电磁流体力学以及流固耦合等交叉学科领域,这给数值模拟方法带来了巨大挑战。针对高超声速气动力/热分析的热点问题,重点关注高温效应与低密度流动效应、磁流体干扰效应和力热结构耦合效应等,结合算例分析了相应的数值求解技术;在气动热方面主要比较了3类求解方法(纯工程方法、纯数值方法和基于Prandtl边界层理论的方法),并给出了相应算例;对于气动力/热/结构耦合问题,从耦合模型及耦合计算方法两方面开展了分析。最后指出了高超声速复杂气动问题数值求解技术未来需重点关注的几个方面。