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.     

纳米复合相变材料熔化过程数值模拟

相变储能技术在航空航天等领域具有广泛的应用前景,但是相变材料导热性能差制约了其工程化应用。高导热的纳米材料能够有效提高相变材料的导热性能。为了对其相变现象进行更精细的模拟分析,基于Maxwell-Garnett等效介质理论（EMT）建立3种具有代表性结构的纳米复合相变材料详细物性参数,将流体体积（VOF）模型与焓-多孔介质模型相耦合,在考虑相变材料体积膨胀的情况下,数值模拟了纯石蜡、添加不同体积组分金刚石纳米粒子（ND）、单壁碳纳米管（SWCNT）和石墨烯纳米片（GnP）的纳米复合相变材料在定温边界条件下的固液相变过程。结果表明:相变材料熔化过程中对流效应主要分布在临近固液相界面、临近加热壁面及临近气液两相交界面这3个区域;3种纳米粒子中GnP的导热强化效果最佳,相比纯石蜡,添加体积分数为3%的GnP纳米复合相变材料固相导热系数提高了486%,相变材料的熔化时间缩短了69%;升高壁面温度能够有效缩短复合相变材料的熔化时间。      

求解等温相变问题的解耦法

基于焓法模型导出了一种求解等温相变问题的简单计算模型.计算模型将温度场与液相分数场进行解耦,即可分别求解出相变控制体和非相变控制体的温度;以长方体容器为例,用计算模型进行计算并将计算结果与实验数据及焓法计算结果进行对比验证,结果吻合的很好;利用计算模型,对长方体容器和圆柱体容器内相变材料熔化时间进行数值计算比较.结果表明,在容器体积和特征尺寸相同的条件下,长方体容器内相变材料的熔化时间几乎只有圆柱体容器的一半.      

贮箱内低温推进剂汽化过程的CFD数值仿真

为研究贮箱内低温推进剂相变对推进剂温度和贮箱压力的影响,对贮箱内的传热传质过程进行了仿真.仿真涉及的物理过程包括贮箱与外界环境的换热、推进剂的自然对流、推进剂与贮箱内壁面的换热以及低温推进剂的相变过程等.根据热力学平衡原理建立了低温推进剂相变模型,使用CFD(Computational Fluid Dynamic)方法对处于地面常压停放状态的液氢贮箱进行了450 s的仿真.研究表明随着贮箱壁面传热过程的稳定,推进剂的温度分布、流动状态以及相变情况会趋于稳定;通过仿真获得了推进剂单位时间的汽化量;影响相变的主要因素是贮箱壁面漏热以及推进剂自身的对流运动.     

垂直平壁封闭空腔中自然对流的数值分析

本文用数值分析方法求解了垂直平壁封闭空腔中自然对流的速度和温度分布。在对局部和平均换热系数分析的基础上,整理了瑞利数Ra._L和高宽比H/L对平均换热系数的影响。结果表明,高宽比为3～20范围内对平均努赛数(?)u._L有着明显的影响。计算数据与已有的经验公式作了比较,结果是满意的。     

锂电池相变材料/风冷综合热管理系统温升特性

锂电池在高倍率充放电过程中会产生大量热量,此热量不及时散出会导致电池超温进而影响电池的使用寿命,甚至导致安全事故。本文设计了一种新型相变材料/风冷综合热管理系统(TMS),并对综合热管理方式下的电池温升特性进行了实验和理论研究。基于集总参数法,结合电池生热及散热机理,建立了电池发热功率计算模型以及相变材料/风冷综合TMS电池温度场数学模型,计算了电池单体发热功率,分析了环境温度、电池充放电循环初始温度、相变温度、对流热阻以及电池和相变材料之间的导热热阻对电池综合TMS性能的影响。结果表明:综合TMS的冷却性能优于纯风冷热管理系统;电池充放电过程为非稳态传热过程,因此较高的初始温度带来超温风险;电池温度场数学模型能准确反映电池升温行为;较高的环境温度下,电池最大温升幅度降低,但可能导致电池最高温度超过安全温度;相变材料的相变温度越低,电池最大温升越低;减小导热热阻及对流热阻能显著提高TMS性能。     

微重力条件下泡沫复合相变材料蓄热装置数值仿真

相变材料由于相变过程中吸收或者释放大量能量且过程近似等温这一特性而有巨大的应用潜力,将相变材料蓄热装置应用于航天器是维持航天器内各个单元工作温度的一种有效方法.提出一种基于正二十烷的相变蓄热结构方案,分别填充泡沫铜与泡沫碳作为基体材料来强化相变材料的传热性能.通过对该模型进行数值仿真计算,得到相变蓄热装置温度、固液相界面位置随时间的变化等有效数据,分析泡沫相变蓄热材料在微重力条件下相变界面的演变过程.结果显示,得益于其较高的导热系数,泡沫复合相变材料可将热源热量有效分散到其他区域,减缓热源面温度上升速度,并且降低重力变化对传热的影响.所得数据结果为泡沫复合相变材料的工程应用提供了科学依据.      

相变储热/辐射器式热沉的传热特性研究

对一种用于舱外活动的相变储热/辐射器式热沉进行了实验研究和数值模拟.设计了相变储热器的实验件和实验方案,进行了储热器的冷却实验.建立了具有导热与对流换热耦合边界的相变储热器数学模型,模型中考虑了自然对流及空穴的影响.编制了相变储热器的性能分析计算程序.通过实验值与计算值的比较分析,验证了程序的可靠性.该模型及计算程序为相变储热器的设计和优化提供了有利的分析工具.     

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。     

操作参数对组合式吸热器热性能的影晌

针对3种不同相变温度的相变材料组成的组合吸热器,建立了相应的物理模型,给出了数值求解方法,计算了工质入口温度、工质流速及输入功率等操作参数对组合式吸热器热性能的影响,得到了容器壁面最高温度、工质出口温度、换热管总相变蓄热材料(PCM)熔化率等结果.结果表明操作参数对吸热器热性能有较大的影响,合理选取这些参数对吸热器的正常运行是非常必要的,结果可以用于指导吸热器的设计.      

Convection in melts and crystal growth

Convection plays a significant role in determining the electronic properties of semiconductor crystals grown from the melt. Inhomogeneities (doping striations) in these crystals can be caused by unsteady natural convection. Therefore, the origins of unsteady natural convection, which means fluctuating temperatures in a fluid, are investigated in this paper. Several effects have been found at increasing Rayleigh numbers Ra which cause fluctuating temperatures. But it was also observed, that unsteady convection became again steady if Ra was increased to higher values. This effect, which is called relaminarization, is very interesting for crystal growth and is discussed in this paper.     

Oscillatory thermocapillary convection in floating zones under normal- and micro-gravity

The thermocapillary convection in a floating zone becomes oscillatory, exceeding a Marangoni number of approximately 10⁴. The oscillatory state of thermocapillary convection has been verified under 1 g and 10^?4 g and the features seem to be fairly independent of the gravity level. The transition point from the laminar to the oscillatory state (critical Marangoni number), however, depends on the magnitude and direction of the buoyant force.     

微重力效应的物理解释及其应用

讨论了微重力效应及其分子物理学解释，万有引力的单极性决定了它的累积性和宏观性，重力对自由分子的影响是微科其微的，然而在流钵，特别是在液体内部的具体条件下，重力对流体内部分子集团产生明显影响，以宏观的静压强形式表现出来。而当重力变小，变微，流体内部的静压强也就趋于消失，由静压强产生的二级现象，如异相沉降或浮泛。同相的浮泛对流，液体自约束成球形，也就消失，这些就是微重力的一，二级物理效应，本文认为，Bossinesq近似对于流体而言实质上是线性热力学假设或近平衡态假设，可以用初始平衡态的物性参量表征临界点时的无量纳数，提出一种重力消失诱发非平衡态向平衡态蜕变的猜想，从文中导出的瑞利数Rα的表达式可以看出，重力加速度的消失，可以使瑞利数的值从远离平衡态的湍流蜕变到稳定流动的瑞利－贝纳对流胞，甚至是没有宏观流动的平衡态，最后，将本文给出的理论解释模型应用到空间材料加工所需微重力水平的估算、窨材料加工工艺的微重力利用准则和空间装置中气体自然对流传热状态模拟的低真空和微重力的互换性方面。     

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.      

Hydrothermal instability of thermocapillary convection in large-Prandtl-number liquid bridges under microgravity

Linear stability analysis was performed to study the mechanism of transition of thermocapillary convection in liquid bridges with liquid volume ratios ranging from 0.4 to 1.2, aspect ratio of 0.75 and Prandtl number of 100. 2-D governing equations were solved to obtain the steady axi-symmetric basic flow and temperature distributions. 3-D perturbation equations were discretized at the collocation grid points using the Chebyshev-collocation method. Eigenvalues and eigenfunctions were obtained by using the Q–R method.The predicted critical Marangoni numbers and critical frequencies were compared with data from space experiments. The disturbance of the temperature distribution on the free surface causes the onset of oscillatory convection. It is shown that the origin of instability is related to the hydrothermal origin for convections in large-Prandtl-number liquid bridges.     

热毛细对流模式转换及温度振荡特征

研究了矩形液池中由于两端温差引起的热毛细对流的温度振荡临界条件.在实验室中,设计了一个高分辨率的温度测量系统,用于实时观测并记录流体的温度.该系统主要由热电偶温度传感器、纳伏表和数据采集电脑3部分组成.得到了各种实验条件下温度振荡的临界条件,并且讨论了它与Prandtl数和Bond数之间的关系.利用flow3d软件数值模拟了微重力条件下的热毛细对流,发现了一种由于自由面变形和液层流场相互作用导致的晃荡的现象.     

微重力环境下蒸发液层热毛细对流的数值模拟

提出了一种新模型来研究由单一物质构成的液层在其纯蒸气中的蒸发.液层置于微重力环境中并且受到水平方向温度梯度的作用,液层的热毛细对流和蒸发耦合在一起,使得气液界面的传热传质规律更加复杂.用理论分析的方法求解了不考虑热毛细效应的纯蒸发模型,得出温度场分布和界面质量流量的解析表达式.对于热毛细对流和蒸发耦合情况,采用有限差分的投影算法同时求解Navier-Stokes方程和能量方程,得到了不同蒸发Biot数和Marangoni数下流场和温度场的稳态数值解.论述了蒸发Biot数和Marangoni数对界面传热传质的影响,提出并解释了蒸发和热毛细对流耦合的三种模式.      

Steady and oscillatory convection in vertical cylinders heated from below. Numerical simulation of asymmetric flow regimes

Three-dimensional buoyancy driven flows in vertical cylinders are simulated with a finite difference technique. Asymmetric convective flows are studied for three values of the (length-to-radius) aspect ratio A. One result concerns the occurrence of asymmetric convection in a flat A=0.485 cylinder for Pr=6.7, near the threshold and up to 3Ra_c (where Ra_c is the critical Rayleigh number and Pr is the Prandtl number). Complex (steady and time-dependent) supercritical regimes have been simulated in cylinders of aspect ratios A=2 and A=4 for Pr=0.02 and in ranges of Ra up to 8Ra_c and 6Ra_c, respectively. The flow patterns are analysed graphically and discussed with respect to a weakly nonlinear analysis and to experiments. In a particular case, A=4 and Pr=0.02, an oscillatory motion has been obtained and some features of the flow pattern are shown during a period.