微重力下三角形微通道内冷凝换热分析

采用VOF模型和自定义函数的方法对三角形微通道内冷凝换热特性进行了数值模拟研究.为验证模型的合理性,将计算得到的传热系数与文献中经验关联式的结果进行对比.分析了重力和表面张力对气液界面分布和传热性能的影响.结果表明,重力对微通道内气液界面分布和截面平均传热系数的影响很小.表面张力在非圆形微通道内的冷凝过程中发挥主导作用.在表面张力作用下,更多的冷凝液流向尖角,使壁面附近液膜厚度变薄,传热阻力减小,传热系数增强.      

重力对单气泡生长特性的影响

采用VOF (Volume of Fluid)多相流模型, 通过用户自定义函数UDF (User Defined Function)实现相变过程中质量和能量的输运, 对微重力条件下尺寸为10mm × 10mm × 25mm的矩形通道的池沸腾现象进行数值模拟, 得到了微重力及常重力作用下单个气泡生长特性的差异. 模拟结果表明, 微重力条件下气泡周围的流线与温度场的分布有显著差异; 由于表面张力作用, 微重力下的气泡脱离特性与常重力下不同; 在微重力条件下, 气泡直径的变化比较复杂, 并与重力加速度的大小有关; Marangoni流对微重力下的流动影响很大, 使换热系数波动, 而且波动的幅度随重力加速度的减小而增大.      

小管径冷凝管的数学模型

基于环状流流型建立了小管径冷凝管的数学模型.模型考虑了气液界面表面张力的作用,在同一横截面上气相与液相存在压力差.对两相压降的计算,考虑了气液两相间的相互作用,包括摩擦切应力和动量转移切应力.应用该模型,可考察气相与液相压降、液膜厚度、气相与液相平均速度、气液界面切应力以及管内壁换热系数等的沿程变化情况.根据模拟结果可得:两相压降沿管长呈近似线性增加;气相平均速度沿管长先增大后逐渐减小,但变化范围很小,且远大于液相平均速度;动量转移切应力随液膜厚度增加而增大,同摩擦切应力相比不可忽略;管内壁对流换热系数随液膜厚度增加而减小,由于冷凝管的管径很小,即使蒸气冷凝趋于完毕,气液界面接近冷凝管中心线,换热系数仍较大.     

蒸气在铜表面冷凝的可视化实验

通过建立蒸气冷凝过程的可视化实验装置,在地面重力条件下对蒸气在铜表面的冷凝情况进行实验.采用高速摄像仪对蒸气在铜表面上发生的冷凝过程进行观测,并对比分析了H₂O,R141b以及FC-72蒸气的冷凝情况.研究发现水蒸气在冷凝过程中一些大液滴在合并周围小液滴后会发生回弹现象,从而清理掉周边区域的小液滴.随着冷凝的进行,被清理掉小液滴的区域又会重新生成小液滴.这种回弹现象相当于延长了滴状冷凝的时间,从而起到强化冷凝换热效果.R141b及FC-72在光滑铜表面上均未发生滴状冷凝.在加大过冷度后,冷凝器内残留的空气还会在冷凝液膜上冷凝成小水滴,产生滴膜共存现象.水蒸气在铜表面冷凝过程中,滴状冷凝转换成膜状冷凝后热流量降低约20%,因此需要对铜表面进行改性处理,降低其表面能,从而强化冷凝换热.      

矩形通道内气膜出流对内换热的影响规律

研究对象为矩形通道,包括2个直肋和9个气膜孔,主要研究气膜的出流比、开孔率对通道内换热的影响,温度场的测量采用了热色液晶测温技术.实验发现气膜出流对换热有强化作用,气膜孔对通道平均换热影响也与其在肋间的位置有关,其中肋后孔的影响最大.在不同的雷诺数下,开一个气膜孔时,出流比在6%~8%之间通道壁面内换热效果最好,低雷诺数下增强换热的效果显著;研究孔边的换热规律发现,在孔下游换热明显增强,从孔边到下游5倍孔直径处,强化换热比在1.1倍以上;此外还研究了开孔率对增强换热的影响规律.      

旋转方位角对斜肋通道内部流动与换热的影响

数值模拟了静止及旋转状态下径向出流60°斜肋通道的内流动与换热分布,研究了3种旋转方位角:0°,-45°及+45°.分析了哥氏力与肋片对旋转通道内流及换热的耦合作用机理.计算结果表明:旋转方位角对通道的内流与换热影响显著.在0°旋转方位角下,通道前后缘的换热差异最大;在-45°方位角下,通道整体换热性能最差;在+45°方位角下,通道具有最佳的整体换热性能.     

非等间距显式算法在重力波非线性传播数值模拟中的初步应用

采用3阶TVD型显式时间积分方法,建立了2维可压缩大气中重力波非线性传播的非等间距显式数值模式.对小振幅重力波传播过程的模拟结果表明,该模式能够很好地再现小振幅重力波的传播过程,并能保持能量守恒关系和各扰动量之间的相位关系,与线性重力波理论预测的结果吻合很好.对有限振幅重力波的模拟结果表明,与格点数相同的等间距网格中的模拟结果相比,采用非等间距网格能够以更高的分辨率模拟重力波的不稳定传播直到破碎的整个过程;在非等间距网格中的模拟结果与在加密一倍的等间距网格中的模拟结果相同,说明了用非等间距网格模拟重力波的饱和与破碎过程是正确的,并且采用非等间距网格能够大大减少计算量.      

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.      

波形隔板穿流孔孔径对通道流动和换热的影响

采用数值模拟的方法,对波形隔板结构复合通道的换热和流阻特性进行研究.设计了6种不同穿流孔孔径的隔板,研究孔径对通道中流动和换热的影响.将大小相间孔隔板结构的数值结果与已有实验结果进行对比,趋势符合较好.数值研究结果表明:在均孔隔板结构中,当孔径小时,通道换热好,同时流阻大;当孔径增大时,通道换热变差,同时流阻降低.当隔板上穿流孔总穿流面积一定时,大小相间孔的隔板结构与均孔隔板结构相比,换热略好些.     

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.      

航天器贮箱气液自由界面追踪数值模拟

主要讨论了航天器贮箱在轨道航行时的微重力状态下其液体推进剂在贮箱内的形态分布及控制.文中采用VOF方法,加入了表面张力的效应,追踪气液两相流的自由界面,对液面在微重力条件下的位形变化进行了数值模拟.通过比较不同重力加速度及接触角下的两相流的相图,分析了影响贮箱中液体推进剂位形变化的主要因素及对其有效的控制方法.      

The effect of temperature gradient on the motion of a bubble in reduced gravity

The bubble motion is described as a function of thermal variation of surface tension of a bubble, temperature gradient, gravity, bubble diameter, viscosity and density. The relations among those values are shown in graphs, from which the requirements for the measurements to ascertain the velocity due to thermal variation of surface tension are made clear. According to these requirements, the experiments on the velocity of the bubble in a temperature gradient were conducted and the Marangoni effect on a bubble motion was ascertained.     

失重飞机搭载气 /液两相流实验研究

利用俄罗斯IL-76MDK失重飞机对失重条件下方形截面(12mm×12mm)管道内气/液两相流动进行了实验研究,观测到失重条件下气/液两相泡状流、弹状流和环状流等三种主要流型,同时得到了气、液两相介质的流量、温度和实验段内压力等结果,分析了失重条件下方形截面管道内气/液两相流型转换的条件.      

Bénard-Marangoni instability in a rotating liquid layer subjected to a transverse magnetic field

The problem of controlling the onset of convective instability in a liquid layer due to the joint action of buoyancy and interfacial tension mechanisms by means of rotation and magnetic field is considered. Selected stability characteristics delineating the effects of both these stabilizing agencies and those of interfacial curvature and gravity waves as well as those of typical boundary conditions are illustrated.     

流道弯曲度对微重力膜式水气分离性能的影响

开展微重力膜式水气分离性能仿真研究,对水气分离技术设计与优化具有重要意义。针对微重力入口边界气液界面多尺度问题（入口流型问题）提出了基于界面概率近似方法的欧拉双流体模型,采用动量源项法解决几何多尺度问题（分离膜边界问题）,为仿真研究提供了有效的入口及渗透边界。研究了典型工作参数下流道弯曲度对膜分离性能的影响,并从流动形态和作用力贡献2个方面分析了影响机理。结果表明:膜分离性能随流道弯曲度增大而降低,影响程度与入口含气率相关;直流道适于选作膜式静态水气分离器主要流道形式。      

Study on dependence of hydrodynamic characteristics on gravity in a vertical upward channel bubbly flow

Since the bubbly flow has extensive applications in the space field, it is very necessary to comprehend the dependence of hydrodynamic characteristics on gravity. In this paper, the dependence of the microbubble distribution and the liquid turbulence modulation by the microbubbles on gravity was investigated in detail with the Euler–Lagrange method. The liquid Navier–Stokes equation was solved using direct numerical simulations (DNS), and the microbubble motion was tracked with Newtonian motion equation considering drag force, shear lift force, added mass force, pressure gradient force, and wall lift force. The coupling between the gas and the liquid phases regarded the interphase force as a momentum source term in the momentum equation of the liquid. The results showed that the phase profile and the turbulence modulation by the microbubbles strongly depend on the magnitude of gravity. When the influence of gravity is relatively weak, the microbubbles approximately uniformly disperse in the wide central region of the channel, and the average statistics of the liquid turbulence are almost not influenced due to the addition of the microbubbles. However, when the influence of gravity is comparatively important, the majority of the microbubbles accumulate near the wall of the channel, and the injection of the microbubbles modifies the profiles of the liquid average statistics.     

Marangoni convection when the surface tension increases with the temperature in normal and low gravity conditions

Thermocapillary convection has been studied in n-heptanol aqueous solutions whose surface tension is increasing with the temperature.

The fluid was confined in a parallelipipedic enclosure and a thermal gradient was imposed parallel to the free liquid/gas interface. The motions induced by the thermocapillary forces have been studied under low gravity conditions during Texus sounding rocket experiments and during the Spacelab D1 mission.

The combined thermocapillary and buoyancy convection have been extensively studied during ground based experiments.

The influence of the aspect ratio and of the alcohol concentration were investigated. Detailed velocity field was determined at the steady state under normal gravity conditions by Laser Doppler Anemometry (LDA).

The aspect ratio was of 0.3 and the temperatures imposed to the lateral sides of the cell were respectively 45°C and 60°C. With these experimental conditions, two superposed contrarotative cells were observed with rapid motions in the surface from the cold to the hot side. This convective pattern was also observed during the normal and high gravity periods of parabolic flights but during the low gravity period of the parabola the motions stopped everywhere in the fluid even in the surface and reappeared immediatly at the pull out of the parabola.     

不同重力条件下水平管内气液两相流流型及空隙率分布的数值模拟

基于VOF方法建立了不同重力条件下水平管内气液两相流动的三维非稳态数学模型并进行了数值求解, 研究了10-4g₀, 0.17g₀, 0.38g₀, 1g₀ (g₀=9.8m·s-2)四种重力条件下水平管内气液两流型及变化规律, 比较了不同重力条件下管内截面空隙率的分布和波动规律. 研究结果表明, 该模型能够正确预测不同重力条件下水平管内气液两相流的流型、截面空隙率和滑速比等重要参数; 同一气液两相表观速度工况下, 随着重力水平的升高, 气相更容易在水平管的上部积聚合并, 致使流型发生变化, 同时, 气液两相滑速比增大, 截面空隙率波动峰值的平均值下降, 波动频率降低; 而随着气液两相表观速度的增大, 两相混合工质内惯性力作用也随之增强, 这将削弱重力变化的影响.      

热毛细效应对细丝薄膜流动不稳定性的影响

根据重力与热毛细力耦合作用薄膜在细丝上的流动情况,采用长波近似推导了界面的演化方程.通过色散关系分析热毛细作用对Rayleigh-Plateau稳定性的影响;通过时空模式的稳定性分析,研究了系统的绝对对流不稳定性特性;通过直接数值模拟,研究了薄膜破裂和绝对对流稳定性的关系.