随活塞同步振动下纳米流体的强化传热特性

内燃机工作过程中,燃烧产生的热能一部分传给燃烧室部件,传给燃烧室部件中的热能有一半以上传给活塞,由于内燃机热负荷不断提高,必须要对活塞进行有效冷却。当活塞功率密度超过0.3kW/cm2时,必须采用冷却油腔进行冷却。为揭示纳米流体在冷却油腔内的流动和传热特性,对不同种类纳米流体在定常和振动状态下直圆管中的物性、摩擦阻力和传热特性进行了实验研究。研究发现：未施加换热腔振动时,在纯净水中添加纳米颗粒后摩擦阻力系数在层流流域内略有上升,湍流范围内几乎没有变化,但是传热效果却大大增强,最优强化在层流-湍流转捩点附近出现且随着纳米体积浓度和导热系数的增大而增大。对换热腔施加随活塞同步振动后,传热强化与振动频率成正比、与雷诺数成反比;用纳米流体代替传统流体后传热效果大大增强,同时还发现纳米流体种类对强化效果影响显著。     

高温化学非平衡湍流边界层脉动量象限分析

高超声速飞行器在较低空域以极高马赫数飞行时，表面会同时存在湍流与化学非平衡流动，但目前针对此类高温化学非平衡湍流边界层流动特性的研究工作还比较有限，对不同湍流特征的主导流动机制的认识还有待于进一步深入。选取高超声速楔形体头部斜激波后的流动状态，设置3种不同的壁面温度，通过直接数值模拟对比了不同壁温条件下的边界层参数分布特性，并采用象限分解技术分析了边界层不同象限流动事件对雷诺剪切应力、湍流热流、湍流质量扩散的贡献。结果显示：在整个边界层中上抛和下扫运动对雷诺剪切应力的贡献占优；冷壁效应会使得流向和法向湍流热流通量的主导流动事件在温度峰值两侧发生改变。O原子组分流向湍流组分扩散主要受到高质量分数流体慢速运动事件和低质量分数流体快速运动事件的影响，而法向湍流组分扩散则主要受到高质量分数流体向上运动事件和低质量分数流体向下运动事件的影响。     

纳米流体在圆管型丝网热管换热强化中的应用

对纳米流体强化水平放置的丝网热管换热特性进行了实验研究.实验工质为水基CuO纳米流体,颗粒平均粒径50 nm,质量分数为0.5%～2.0%.实验在定压下进行,压力为7.45～19.97 kPa.结果显示,纳米流体替代去离子水后,热管换热性能大幅度提高.蒸发段换热系数提高了170%～410%.运行压力对热管换热特性有明显影响.压力越小,热管换热的强化越显著.热管换热特性随纳米流体质量分数的增加而提高,到达一定值后开始随之下降,最佳质量分数在1.0%左右.      

脉动作用下波壁管内非牛顿流体流动特性的研究

在热量和质量传递过程中,流体的流动状态对整个传递过程有着重要的影响,为此,通过实验方法对以聚丙烯酰胺（PAM）溶液为代表的非牛顿流体在波壁管内的流动特性进行压力差和可视化研究。研究发现,PAM溶液存在一个最佳减阻浓度,在该浓度下与牛顿流体相比PAM溶液的转捩点明显提前。此外在脉动流场下,在一个脉动周期内,波壁管内流体存在明显的稳定流动和不稳定流动两种结构;相同净雷诺数条件下,脉动流场下波壁管内流体的流动混合情况比定常流动状态下强烈很多,意味着脉动流场具有更加优越的质量传递特性。     

使用GAO-YONG方程组对不可压转捩/湍流平板边界层的计算

与以往的湍流模型不同的是GAO-YONG不可压湍流控制方程组不需要任何经验系数及壁面函数。本文运用SIMPLE方法QUICK格式求解GAO-YONG方程组,对二维零压力梯度下平板转捩/湍流边界层进行了数值模拟。结果表明,方程不仅对于边界层流动的各项细节(如表面摩擦系数C_f,对数律,亏损律等)能作出良好的预测,成功地解决了以往一般模型不能同时计算近壁区和远壁区的难题,而且能够预报层流-湍流转捩过程。本文还对机械能方程如何影响边界层近壁区特性进行了数值研究。      

不可压缩平板边界层转捩中突变过程的数值模拟

采用时间模式对不可压平板边界层从层流到湍流的转捩过程进行了直接数值模拟.分析结果表明:在层流-湍流转捩的突变过程开始之前,已经产生非线性作用;二维波与三维波的幅值实际增长率也偏离线性状态,而且在二者之间存在能量转移的迹象.在突变过程中,速度变形率对总应力的影响较大,在转捩结束后雷诺应力对总应力的影响比较显著.研究表明:正是由于大量谐波被快速激发并增大,导致了雷诺应力及其法向梯度也快速增大.这使得平均流剖面快速被修正,流动快速转为湍流.      

超临界压力下航空煤油水平管内对流换热特性数值研究

采用RNG(renormalization group)k-ε湍流模型和近壁区的Wolfstein一方程模型对超临界压力下大庆RP-3航空煤油在水平圆管内的流动和换热特性进行了数值研究.超临界压力下,由于航空煤油在拟临界点附近热物性的剧烈变化,浮升力将引起显著的二次流动.二次流动使得水平圆管的下表面湍流强度和对流换热增强,而上表面的湍流强度和对流换热减弱.最后分析了两种水平管内对流换热受浮升力影响判别标准在超临界流体中的适用性.      

微小圆管内煤油流动研究

通过实验研究了RP-3航空煤油在微小圆管内的流动情况.分别研究了内径为1.0,0.8 mm和0.5 mm的微小圆管中的流动压降和摩擦阻力系数.实验结果表明:摩擦阻力系数(层流损失系数)随雷诺数的增加而减小,而且微小圆管内的摩擦阻力系数比常规尺寸圆管中摩擦阻力系数小;微小圆管中从层流转变成湍流的临界雷诺数也远小于常规尺寸圆管中的临界雷诺数2 300.此外,进、出口压差随雷诺数的增大而增大;相同雷诺数、相同管长的情况下,管内径越大,进、出口压差越小;管内径越小,进、出口压差越大.      

小圆管内航空煤油流动阻力研究

本文通过实验研究了RP-3航空煤油分别在内径为2994μm,1995μm和992μm的小圆管中的流动压降和摩擦阻力系数,实验结果表明:层流摩擦阻力系数随雷诺数的增大而减小,并且小圆管内的层流摩擦阻力系数比常规大圆管中摩擦阻力系数大;小圆管中流动从层流转变成湍流的临界雷诺数小于常规尺寸圆管中的临界雷诺数2300。     

细长体大攻角分离流动的数值模拟研究

采用数值模拟方法研究了具有头部微小扰动细长旋成体大攻角分离流动.考察了全层流和全湍流情况下头部扰动位置和大小对背风面流动和截面侧向力的影响.结果显示在给定的扰动形式下,层流和湍流背风面流动存在明显的双稳态特征,侧向力随扰动周向位置呈双周期变化;扰动大小对层流流动的影响明显大于对湍流流动的影响.     

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。     

壁面温度控制对平板边界层影响的数值研究

通过对零压力梯度的平板边界层流动施加温度控制,展开壁面温度控制对平板层流边界层和湍流边界层影响的研究,探索温度控制对平板转捩雷诺数和壁面摩擦阻力的影响规律。采用带有转捩模式的三方程湍流模型对平板边界层流动进行数值模拟,重点考察了壁面摩阻系数、平板转捩雷诺数、湍流边界层流动随壁面温度变化的规律。计算结果表明在壁面温度从288 K 增大到432 K 时,边界层转捩雷诺数增大约36%,表面摩擦阻力减少约9.6%。研究分析表明：加热控制使层流区域温度边界层内粘性作用增强,雷诺切应力和湍动能减小,流动更加稳定;而湍流区域边界层内粘性底层中速度梯度和粘性切应力减小,导致壁面处摩擦切应力减小。因此壁面加热控制可以延迟边界层转捩,减小湍流区摩阻系数,并减小平板摩擦阻力。     

甲烷摩尔分数及初始压力对甲烷/RP-3航空煤油混合燃料燃烧特性的影响

采用定容燃烧实验装置获得初始温度为450K、初始压力为0.1~0.3MPa、当量比为0.7~1.5以及甲烷摩尔分数为0~0.8工况下甲烷/RP-3航空煤油混合燃料火焰发展特性图片、马克斯坦长度和层流燃烧速度等燃烧特性,分析甲烷摩尔分数及初始压力对甲烷/RP-3航空煤油混合燃料燃烧稳定性及层流燃烧速度的影响。结果表明:当量比为1.3时,随着甲烷摩尔分数增加,甲烷/RP-3航空煤油混合燃料燃烧趋于稳定,初始压力对燃烧稳定性影响较大,随着初始压力增加,燃烧稳定性变差。混合燃料马克斯坦长度随当量比增加而减小,当甲烷摩尔分数增加时,混合燃料马克斯坦长度减小趋势变缓,当初始压力增加时,混合燃料马克斯坦长度减小趋势明显变缓。混合燃料层流燃烧速度随当量比增加呈现先增大后减小的变化趋势。当甲烷摩尔分数为0、0.4和0.6时,随着甲烷摩尔分数增加,混合燃料层流燃烧速度逐渐增大,当初始压力为0.1、0.2、0.3MPa时,随着初始压力增加,混合燃料层流燃烧速度显著降低,随着甲烷摩尔分数和初始压力的增加,混合燃料层流燃烧速度峰值有向当量比大的区移动的趋势。      

非牛顿流体在正弦波壁管内的减阻特性

通过添加高分子表面活性剂来有效降低流动阻力在水处理和石油开采等行业中具有重要的现实意义。实验研究了聚丙烯酰胺聚合物（PAM）溶液在正弦波壁管内的减阻特性。研究发现,PAM溶液在层流区域具有明显的减阻作用,在湍流区域却不是很明显;同时在波壁管内存在一个PAM的最佳减阻浓度。另外,通过f-Re曲线发现PAM溶液的过渡域转捩点比牛顿流体明显提前,流动可视化结果验证了上述结论;应用Fluent进行数值模拟得到的数值结果与实验基本吻合。     

连续均匀热气流中液核/袋状破碎特性实验

为了获得热气流中单液滴液核/袋状破碎特性,采用高速摄像机对液滴变形、破碎过程进行了捕获.实验设计工况下所得结果表明:①液核/袋状破碎过程是液滴中液体流动与外界气动力共同作用下发生的,可以分为伞形破碎与勺形破碎;②液滴初始直径减小、气流温度增加,都可以降低液滴发生液核/袋状破碎所需最小气动力;③液滴破碎特征时间,随气动力增加呈负增长变化趋势,其值与变化梯度都随液滴初始直径增加而增大;④子液滴质量分数随气动力增加而增加,且随液滴初始直径增加而减小;⑤子液滴群质量分数的空间离散度都随气动力增加而增加.      

旋转状态下矩形微小通道流动与换热试验研究

为了研究微小通道结构在航空发动机涡轮叶片中应用的前景和可行性,以空气为冷却介质,在Re＝1000～3000、转速为0～500 r/min、Ro＝0～3.5×10-3条件下,对水力直径为1 mm的旋转微小通道组的流动和换热特性进行试验研究。结果表明：微小通道流阻系数呈现粗糙壁通道特征,通道临界Re≈2350,流阻系数以及临界Re随转速增加未见明显改变。在静止状态下,通道组综合换热系数随Re增大而增大,换热系数分布沿流动方向逐渐减小;在旋转状态下,通道组平均综合换热系数略有增大,旋转对换热特性的影响随着流动的发展而增大     

低位预旋进气转静系盘腔流动特性研究

采用实验和数值模拟的方法对低位预旋进气转静系盘腔的流动特性进行研究,考察了流量与动盘转速变化对腔室内流动的影响,结果表明腔内径向静压差随流量增大而增大,随转速升高而增大;引入腔内有效角动量的概念,用角动量系数表征其与盘腔入口角动量之比,通过分析来流角动量与盘面转矩的相对大小,推导得到影响角动量系数的两个主要无量纲参数为修正的湍流流动参数与预旋来流雷诺数;对于给定结构形式的预旋系统,当改变转速时,角动量系数随修正湍流流动参数增大而减小,当修正的湍流流动参数大于0.0646时,角动量系数变化缓慢,腔内有效角动量约为入口角动量的70%～90%;当改变来流速度时,角动量系数随修正湍流流动参数增大呈现先减小后增大的变化趋势。     

高密度烃层流火焰传播速度试验研究

为了研究液态燃料的预混燃烧特性,利用本生灯方法与数字图像处理技术相结合的方法对高密度烃的层流火焰传播速度和贫油点火、熄火极限进行了试验测量。研究表明:高密度烃的层流火焰传播速度在恰当比为1.1附近取得最大值;贫油燃烧阶段的层流火焰传播速度随当量比的变化幅度比富油燃烧阶段小;当量比相同时,燃油流量的改变对层流火焰传播速度的影响不大;层流火焰传播速度随混合气体温度的增加而增加;随混合气体温度的增加,层流火焰传播速度随当量比的变化幅度增大;燃油流量在小于35ml/h区域内,贫油点火极限、熄火极限的当量比存在一定的波动,且随混合气体温度的增加而减小,但减小幅度不大。     

温度边界层对壁湍流多尺度相干结构的影响

用热线风速仪以高于对应最小湍流时间尺度的分辨率精细测量了风洞中壁面加热平板湍流边界层不同法向位置流向速度分量的时间序列信号, 与常温情况相比, 热对流加速了壁湍流中流体的动量、质量和能量的交换, 加快了湍流边界层的发展;用子波分析方法研究了壁面加热对壁湍流多尺度相干结构喷射和扫掠条件相位平均波形的影响, 显示热对流明显增大了缓冲层相干结构扫掠过程和喷射过程的强度, 是增强壁湍流中流体的动量、质量和能量交换的根本原因.      

狭小空间内气膜孔流量系数的数值模拟

针对多层层板冷却、双层壁冷却等冷却技术,利用数值模拟分析了这些冷却结构形成的狭小冷却通道中,气膜孔附近的流动特性,重点研究了气膜孔流量系数C_{d随吹风比M(0.5～2.0)、气膜孔雷诺数Re(5000～10000)以及冷却通道高度H和气膜孔直径D之比H/D(0.33～1.0)等参数的变化规律.数值计算中湍流模型为Realizable k-ε模型,近壁处采用非平衡壁面函数,利用SIMPLE算法和二阶迎风格式进行离散求解.计算结果表明:气膜孔流量系数随吹风比的增大而增大,在吹风比M小于1时,影响尤为明显.研究中同时发现在相同吹风比的条件下,Cd随着气膜孔雷诺数的增大而减小,但变化的幅度不大;在相同的气膜孔雷诺数下,Cd随着H/D的减小而降低,特别是当H/D小于0.75时,随着流体在进入气膜孔前逐步受到限制,Cd随着H/D的减小而快速降低.}