用二阶矩两相湍流模型模拟鼓泡床内气泡—液体湍流两相流动

建立了二阶矩气液两相湍流模型，模拟了不同工况下二维矩形断面气液鼓泡床中气泡－液体湍流两相流动，给出了气泡和液体的速度场、气泡体积分数和两相雷诺应力分布，基本工况的模拟结果与美国俄亥俄州立大学PIV测量结果符合较好。文中研究了不同气体表观速度对两相流场的影响。模拟结果显示了鼓泡床内液体的回流流动和气泡的上升运动、各向异性的上湍流，气泡湍流脉动比液体的强，以及气泡体积分数和两相湍流强度随着气体表观速度的增大而增大等规律。     

狭窄空间内沸腾传热机理

通过实验观察,分析了狭窄空间内沸腾传热特征,得到表征通道宽度的Ｂｏｎｄ数存在临界值（０．６）。通道超临界和亚临界情况沸腾传热机理完全不同。对于超临界通道（Ｂｏｎｄ数≥０．６）沸腾传热是池沸腾传热和液相对流传热的叠加。亚临界通道（Ｂｏｎｄ数＜０．６）情况,加热表面被聚合汽泡和液柱周期性交替冲刷。汽泡通过加热面时,汽泡与加热面间存在一层薄液膜,这时主要通过液膜蒸发传热。液柱通过时为液相对流传热。上述模型均考虑了介质沿加热面的流动。模型预测的结果与实验值吻合良好,同时也证实了狭窄通道强化传热时存在最佳宽度与高度。     

A numerical and experimental study of a transitional separation bubble

A combined numerical and experimental study of a two-dimensional transitional separation bubble due to an adverse pressure gradient is reported. The experiments have been performed in the MTL wind tunnel with a contoured wall imposing an adverse pressure gradient on the flow over a flat plate. The separated shear-layer is highly unstable and transition to turbulence occurs in the flow. The experimental separation bubble flow is modelled numerically using two-dimensional direct numerical simulations (DNS). Prescribing free stream boundary conditions in the wall normal velocity the experimental bubble is reproduced. The development of artificially forced two-dimensional instability waves is investigated and good agreement is found between experiments, simulations and linear stability theory (LST). The performance of several engineering transition prediction methods applied on the present separation bubble is presented and compared. Methods based on simplifications of the eⁿ-method yield predictions in accordance with experiments and DNS.     

Impact of a cavitation bubble on a wall

Impulse action of a cavitation bubble on a rigid wall is studied depending on the distance between them. We determine the distances at which the periphery pressure maximums on a wall are preserved as well as the distances at which these maximums exceed the water hammer pressure.     

加热丝上核态沸腾时汽泡间的热相互作用

本文分析讨论加热丝上汽泡生长过程中加热丝的温度变化特征 ,揭示一个活化核心的起泡对周围其他活化核心起泡过程以及其自身的影响 ,进而讨论两个核心之间起泡的相关性。分析还发现由于汽泡生长造成的局部温度下降是加热丝表面沸腾需要较高过热度的一个重要原因。通过对温度场的计算 ,模拟了两个临近核心之间的热相互作用 ,得出一些有益的结论。     

超声速膨胀角入射激波/湍流边界层干扰直接数值模拟

为了揭示膨胀效应对激波/湍流边界层干扰区内复杂流动现象的影响规律,采用直接数值模拟方法对来流马赫数2.9、30°激波角的入射激波与10°膨胀角湍流边界层相互作用问题进行了数值研究。系统地探讨了激波入射点分别位于膨胀角上游、膨胀角角点和膨胀角下游3种工况下膨胀角干扰区内若干基本流动现象,如分离泡、物面压力脉动及激波非定常运动、湍流边界层统计特性和相干结构动力学过程等。结果表明,激波入射点流向位置改变对分离区流向和法向尺度的影响显著,尤其是当激波入射点位于角点及其下游区域。研究发现,膨胀角干扰区内物面压力脉动强度急剧减小,分离区内压力波向下游传播速度将降低而在膨胀区内将升高,膨胀效应极大地抑制了分离激波的低频振荡运动。相较于入射激波与平板湍流边界层干扰,入射激波流向位置改变对膨胀角再附区速度剖面对数区及尾迹区影响显著,将导致其内层结构参数升高而外层降低,近壁区内将呈现远离一组元湍流状态的趋势。此外,流向速度脉动场本征正交分解分析指出,主模态空间结构集中在分离激波及剪切层根部附近而高阶模态以边界层内小尺度正负交替脉动结构为主。低阶重构流场结果表明,前者对应为分离泡低频膨胀/收缩过程而后者表征为分离泡高频脉动。     

Experimental Study of Motion of Nitrogen Taylor Bubbles and Liquid Slugs in Inclined Tubes

This article studies rising velocity of Taylor bubbles and liquid slugs in liquid nitrogen at different axial positions in upward inclined tubes by means of a high speed motion analyzer. The bottom-closed tubes in the experiments are 1.0 m long with an inner diameter of 0.014 m or 0.018 m. The tube inclines upward from 0° to 50° with respect to the normal. Statistical method is used to analyze the data of the Taylor bubble and the liquid slug velocity. Reflecting the effects of the inclination angle on the rising velocity of Taylor bubbles and liquid slugs, the experimental results indicate the similar trend the Taylor bubble velocity and the liquid slug velocity have: it increases first, and then decreases with the increase of the inclination angle. Moreover, with the increase of the inclination angle, the liquid slug velocity becomes greater than Taylor bubble velocity.     

锐孔气泡形成周期及影响因素的研究

气液反应器和工艺设备中存在大量的气泡,要建立准确预测气泡形成特性的计算模型,就需要详细了解气泡的形成过程,通过CLSVOF数值模拟方法配合实验验证对锐孔气泡形成过程进行了研究。着重讨论了气流量和孔径对气泡形成的影响,并研究了气泡在形成阶段的动力学特性和孔口处气泡的脱离。通过模拟数据和实验数据的分析结果,结合Fr数和Bo数关系图得出：气泡从不发生相互扰动到气泡之间发生合并与破裂的过渡阶段中,气泡锐孔处的进气速度随着孔径的增大而减小。     

展向不同间距壁面粗糙元对近壁湍流拟序结构的影响

采用氢气泡流动显示技术,研究了壁面不同展向间距粗糙元对近壁湍流拟序结构的影响。实验中粗糙元布置在氢泡丝前,其间距按如下两种排列设置：粗糙元直径的0、1和3倍,等间距1、2和4cm;每种情况粗糙元直径均为2.3、4和6mm。基于平均流速和水力直径的流动雷诺数从14000到48000变化。实验观测了光滑壁面和粗糙元壁面的近壁湍流拟序结构条带特征。发现：对于两种不同排列,相同雷诺数和相同粗糙元间距条件下条带有量纲间距均随着粗糙元直径增大而减小,条带有量纲高度均随粗糙元直径的增大而增大;相同雷诺数和相同直径粗糙元条件下条带有量纲间距均随着展向间距增大而增大,条带有量纲高度均随展向间距的增大而减小。粗糙元壁面湍流条带有量纲间距均比光滑壁面小,条带有量纲高度均比光滑壁面大。研究结果对近壁湍流的流动控制具有重要指导意义。     

Oscillations of a viscous liquid in a cylindrical container

The natural damped frequencies of a viscous liquid in a circular cylindrical container are obtained for slipping and anchored contact line at the container wall r = a. In addition the response to translational forced excitation has been determined. The results may also be applied to viscous liquid in a micro-gravity environment, as long as the contact angle of the liquid surface to the cylindrical container wall is in the vicinity of π/2, indicating, that the free liquid surface equilibrium position remains a plane surface. It could be found that there exists in contrast to frictionless liquid a small filling range, in which the liquid performs only an aperiodic motion. The adherence condition at the side wall was replaced by the somewhat weaker condition of an anchored contact line.     

垂直上升弹状流中弹状氢气泡运动速度

针对垂直管路内气液两相流实验化困难的问题,运用建模仿真的方法建立了竖直管路中弹状流气泡的运动模型,模拟了弹状氢气泡在垂直管路的上升过程,并对其运动速度进行了研究.仿真结果表明:在静置的竖直管道内,充分发展的弹状氢气泡的速度基本上以0.2265m/s的速度匀速上升;弹状氢气泡在流动液氢中运动时,其速度模型中的速度系数与流体的速度有关,当雷诺数从220上升到6400时,其系数的值从1.83下降到1.14;在未充分发展的弹状流系统中,气泡间距对气泡速度分布有着影响,其上升速度随着气泡间距的减小而增大.      

蒸汽流量对蒸汽直接接触冷凝的影响

为研究蒸汽流量对蒸汽直接接触凝结及汽泡表面变化过程的影响,利用高速摄像仪记录一定过冷度、不同蒸汽流量条件时过冷水中蒸汽的凝结过程.实验结果表明:蒸汽流量小于0.36m3/h时,汽泡表面始终较光滑;当蒸汽流量升至0.74m3/h时,汽泡表面上出现波动,汽泡最终逐渐分裂成数个小汽泡;当蒸汽流量大于1.13m3/h时,汽泡表面上的波动非常剧烈,汽泡不稳定性增强,并最终破碎成大量微汽泡.且随蒸汽流量增,这些微汽泡的直径减少,喷射速度增加.蒸汽流量超过1.13m3/h后,汽泡在凝结时,其相对半径迅速减小,半径变化率迅速增加.汽泡表面剧烈的波动会极大的增加汽泡有效换热面积,导致蒸汽与过冷水间的传热和传质过程被极具的加强.      

ADN基推力器热回浸对毛细管微尺度流动特性影响的数值模拟研究

小推力ADN基推力器在工作中,其毛细管内的推进剂容易在壁面传热作用下发生相变,进而影响推力器的正常工作。为了深入理解推进剂在毛细管内的相变和流动特性,采用三维数值模拟方法对毛细管微尺度流动和相变特性进行计算。计算考虑了毛细管与喷注器内的流固耦合传热、推进剂相变过程。推进剂相变采用Lee模型,气液体积分数的求解和气液界面捕捉重构采用VOF-CSF方法。本文首次采用VOF模型耦合Lee相变模型计算了ADN基推进剂在毛细管内的相变过程,并结合气泡空间分布仿真结果得到了质量流量和热回浸温度对流动特性的影响规律。计算结果显示,受到ADN基推进剂的冷却作用,毛细管内壁面温度要略低于外表面。毛细管内的气泡形成于弯管处,其体积沿着毛细管轴向下游逐渐增加,采取散热措施可减少并推迟气泡的形成。随着ADN基推进剂质量流量的降低或下游热回浸温度的增加,毛细管内的气泡均显著增加,且形成区域更接近上游区域。当热回浸温度从800K增加至1100K时,毛细管内的气泡体积从25.6mm~3增加至58.7mm~3。     

微重力下高热流时池内双组分核态沸腾

本文基于Helmholtz不稳定性原理建立了微重力下双组分高热流时核态沸腾的双层汽泡结构模型。由于浮力很小,这种结构能维持到CHF状态。通过对该结构的深入分析,导得了汽柱面积占总面积的百分比及液体层初始厚度的表达式,在此基础上发展了CHF模型。分析结果同实验结果及地面条件下的结果作了比较,对异同之处作出了合理的解释。      

壁温对隔离段激波串振荡的影响

为了探索存在换热条件下超燃冲压发动机隔离段内部的复杂流动机理，采用2阶精度的非定常数值模拟程序研究了壁温对隔离段内部激波串振荡特性的影响。结果表明:压力振荡曲线与激波串前缘位置之间存在紧密关系。此外，随着壁温升高，隔离段壁面压力振荡的频率减小、振幅增加。研究还发现，隔离段压力振荡标准差最大值位于激波串前缘激波及其与上下壁面边界层相互作的位置，而湍动能最大值则分布在分离区后侧剪切层区域内。      

壁面边界对撞击合成动量角的影响研究

为了研究动量比对针栓式喷注器撞击雾化合成动量角的影响规律,基于三相的与水平集耦合流体容积法(CLSVOF)对贴壁液膜/自由液膜撞击的合成动量角进行了数值模拟,并与自由液膜/自由液膜撞击的合成动量角进行了对比,结合试验结果及理论预估结果详细考察了有无壁面条件下合成动量角与动量比的关系,深入分析了造成两者之间差异的根源,揭示了壁面边界对合成动量角产生影响的作用机制。结果表明:CLSVOF方法计算的合成动量角与试验结果一致,最大相对误差约为10%,大多数工况点的相对误差小于5%;有壁面边界的贴壁液膜/自由液膜撞击合成动量角显著大于无壁面边界的自由液膜/自由液膜撞击的;仅一路流体贴壁的撞击合成动量角与常用的入口动量比理论预测值最大相差20°以上,而两路均无贴壁或者均贴壁的撞击合成动量角与理论预测值吻合很好。这一显著差异的根源在于两者撞击形成的高压区分布显著不同。壁面的存在使得撞击点附近形成的高压区对两路流体作用不对称,有壁面边界时壁面承受高压迫使其对贴壁流体有强的作用力,导致垂直于壁面方向动量不守恒,根据入口动量比预测的理论不再适用。     

壁面带微结构管道内Cassie状态稳定性的实验研究

保持液体在微结构表面处于Cassie状态,是流动减阻的关键。首先利用MicroPTV分别测量了带微结构侧壁处于Cassie和Wenzel状态下的流场速度,表明Cassie状态下近壁速度提高至光滑表面的1.6倍,而Wenzel状态下近壁速度将减小。通过精细控制微管道的驱动压强,观察了液体在近壁由Cassie向Wenzel状态的转变,并测出C/W转变的临界压强值Δpcr约10.9kPa,与Laplace理论预测值10.15kPa基本相符。考虑到Cassie状态失稳也会发生在液体进样过程中,实验还观察了微结构角点对液体进样的＂锚定＂作用,并初步分析了液体进样中自由液面在微结构表面保持Cassie状态的条件。     

激波/湍流边界层干扰物面剪切应力统计特性

为了揭示激波/湍流边界层干扰区内物面剪切应力统计特性的演化规律，采用直接数值模拟方法对来流马赫数2.9、12°激波角的入射激波与平板湍流边界层相互作用问题进行了研究。通过与风洞试验数据的比较分析，验证了计算结果的可靠性。系统地探究了干扰区内物面剪切应力的典型特征，如预乘谱、概率密度分布和相干结构等。研究结果表明，分离激波的低频振荡运动对流向及展向分量的预乘谱均没有实质影响，其脉动仍以高频特征为主，低频能量变化较小。干扰区内流向剪切应力概率密度函数分布变化剧烈，分离泡内对数正态分布规律不再适用，而展向剪切应力在干扰区内与正态分布较为接近。相较于上游湍流边界层，分离泡内物面剪切应力矢量夹角与幅值的联合概率密度变化显著，峰值概率降低，峰值范围增大。此外，流向剪切应力脉动场的本征正交分解分析指出，主能量模态与分离激波的低频振荡以及下游再附边界层内的Görtler-like流向涡结构密切相关。     

火箭发动机燃烧室液膜-再生复合冷却数值仿真

对液体火箭发动机燃烧室液膜-再生复合冷却进行了数值计算,针对液膜-燃气流场区多组分、轴对称Navier-Stokes(N-S)方程和再生冷却区单组分N-S方程进行求解,并使用k-ε方程求解湍流流动.对文献中的某液氧/煤油火箭发动机燃烧室进行了数值模拟,该模型的计算结果能够与文献中的计算结果较好地吻合.计算结果表明:①液膜-再生复合冷却能有效地减少壁面热流密度和降低壁面温度,且其形成的冷气边区覆盖了整个燃烧室及喷管壁面;②再生冷却液入口质量流量越大,复合冷却作用越明显,壁面温度越低;③随再生冷却液质量流量的不同其温升在450~600K之间,且质量流量越大,再生冷却液的温升越小.④壁面煤油的质量分数不断下降,在喷管出口壁面处达到最低值,但含有煤油的区域不断变大.      

马赫数6柱-裙激波/边界层干扰直接模拟

高超声速激波/边界层干扰比超声速工况下具有更强的可压缩效应,再附之后会形成极高的局部力/热载荷,严重影响飞行器飞行安全。而激波/湍流边界层干扰区附近流动的三维特性使得流动更加复杂而难以预测。采用直接数值模拟对高超声速条件下的柱-裙激波/湍流边界层干扰进行了详细研究,特别是对Görtler涡结构对分离泡、物面压力和热流造成的展向差异开展了定性和定量分析。研究发现,干扰区附近的分离泡结构呈现出明显的三维效应,且Görtler涡展向分离位置截面的分离泡要明显小于再附位置,而这两个截面上分离泡的运动基本同步,没有明显的延迟或超前现象。物面压力和热流在展向出现显著的不均匀性,展向再附位置的平均压力和热流要比展向分离位置分别高13%和16.2%,脉动压力和热流比展向分离位置分别高28%和20%。截面流向速度特征正交分解结果显示两个位置上的能量都集中在剪切层附近,并且展向再附位置上低频模态占有更高的能量。在采用模态重构流场分析分离区面积发现,展向分离位置重构误差更小,而展向再附位置上的重构误差收敛更快。