宽高比及表面粗糙度对矩形微尺度通道流动特性的影响

实验研究了不同宽高比矩形金属微尺度通道的流动特性,并与硅通道对比来探究表面粗糙度的影响。金属微尺度通道宽为0.4mm,通道宽高比分别为0.50、0.67、和1.00,相对表面粗糙度范围为0.1609%~0.2145%。硅通道宽度及高度都为0.4mm,相对表面粗糙度为0.00325%。实验工质为空气,实验的雷诺数范围是250~3000。实验结果表明:在粗糙微尺度通道会发生转捩提前,并且转捩雷诺数随着宽高比增大而减小。在层流区,微尺度矩形通道摩擦因数随着雷诺数增大而减小,在转捩区出现明显增大后再减小。表面粗糙度很小时,未发现转捩提前现象。      

γ-Reθt转捩模型在微通道流动特性研究中的应用

应用ANSYS CFX对矩形微通道中的流动进行了数值研究。通过与实验数据的对比检验了层流模型、γ-Reθt转捩模型和剪切应力输运模型在微通道流动转捩模拟中的适用性,并在此基础上探究了微通道长径比以及截面宽高比对临界雷诺数的影响。结果表明:3种模型中,只有γ-Reθt转捩模型捕捉到了转捩的趋势,并较为准确地捕捉到了临界雷诺数。当微通道的长径比不小于200,进口段对整体流动特性产生的影响可以忽略。当微通道的当量直径和长径比一定,宽高比由1增加到5时,临界雷诺数呈逐渐增长趋势。      

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。     

环形流道流体阻力特性实验研究

针对环形流道下流体阻力特性较圆管阻力特性存在差异,对不同尺寸间隙的环形流道流体阻力特性进行了实验研究。依据圆管流体流动特性原理,推导出摩擦阻力计算公式,采集实验数据、计算实验结果,并对实验结果进行比较、分析。结果表明,环形通道流动特性与流道间隙大小有关,认为间隙为2.5mm是环形通道流动特性的临界点。研究发现,间隙尺寸大于2.5mm时摩擦阻力系数与理论计算相符,流态转捩雷诺数与常规尺寸基本吻合;间隙小于2.5mm为窄环形通道,窄环形流道流体阻力系数随间隙的减小而减小,流道流体流态转捩点明显提前,并且间隙值越小流态转捩雷诺数越小。     

微通道流动转捩数值模拟

应用CFD计算软件ANSYS CFX对水力直径为0.4mm的矩形截面微尺度通道中的气体流动进行了数值模拟.采用了3种流动模型,即γ-Re_θt转捩模型、层流模型和剪切应力输运（SST）模型,并将模拟结果与实验结果进行了对比.模拟结果表明:层流模型及SST模型不具有预测转捩的能力;γ-Re_θt转捩模型捕捉到了临界雷诺数且摩擦因数相对误差在20%以下.在未达到临界雷诺数之前,通道后部已经出现局部湍流区,且局部湍流区随着雷诺数的增大而增大.壁面摩擦因数的最低点对应的流向位置与通道中前后湍流区的交结位置几乎一致.      

微小通道流动换热特性分析及其结构优化

就一组不同水力直径的矩形微小直通道进行了实验研究,并通过经验证的数值方法进行了大量CFD计算,得到了通道内流体努塞尔数和阻力系数随雷诺数变化的规律.结果表明,在所研究微小尺度范围内通道内流动的转捩雷诺数提前到1 200～1300之间,以大量数值模拟结果为样本点经过多元线形回归建立了所研究范围内微小通道流体换热与流动特性的准则关系式,并基于遗传算法,对矩形微小通道的几何结构进行了优化,为工程应用提供了依据.      

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。     

离散粗糙元诱发边界层转捩的实验研究

针对直升机转子叶片模型表面离散粗糙元诱发边界层转捩问题开展了实验研究,分析不同雷诺数下粗糙元尺寸参数对转捩位置的影响。实验在中航工业气动院直升机转子叶片模拟装置进行,在模型转子叶片表面布置不同尺寸的离散柱状粗糙元,利用红外热像技术探测边界层转捩,并提出一种基于湍流／层流区域面积比的转捩位置判定准则,目的是实现边界层转捩位置自动识别,进而分析粗糙元尺寸参数对转捩位置的影响。实验转速为300至600 r／m,对应叶尖切向速度为25～40 m／s。实现了对旋转叶片边界层转捩位置的定量测量,通过实验验证,转捩位置判定算法正确可靠,初步得到了不同高度 DRE 诱发转捩位置与雷诺数之间的关系,随着粗糙元高度的增加,转捩位置逐渐靠前。     

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.      

微通道内亲疏水壁面特性对入口段长度的影响

针对水力直径为200 μm的微尺度通道,采用数值模拟的方法研究了壁面亲疏水特性产生的速度滑移对微尺度通道入口段长度的影响,建立了包含滑移长度影响的入口段长度修正计算公式。研究表明:相同流量下,速度滑移的存在使得微尺度通道充分发展段的最大速度减小,从而缩短了入口段长度,且在低雷诺数区域,入口段的缩短效应更为显著。针对不同的雷诺数区域分别进行无量纲入口段长度计算公式的拟合,得到拟合系数随滑移长度的变化规律与对应关系,从而建立了滑移长度对入口段长度的修正计算方法和准则关系式,利用修正公式计算的结果与数值模拟结果相比,最大误差为3.7%。     

流体热物性对粗糙微通道内传热性能的影响

为了明晰工质种类对微通道传热性能的影响,研究了导热系数λ,比热容cp,动力粘度μ和密度ρ影响微通道传热性能的规律。首先研究了水和煤油在构造的粗糙微通道中流动与传热性质的差异,然后将各个因素孤立的研究其对于整体传热性能的影响。结果发现,在粗糙微通道中的层流充分发展流动状态,Poiseuille数(Po)基本不随Re变化,也不随工质热物性变化;水和煤油的Nusselt数(Nu)都随Re的增大而增大,且煤油的Nu的数值和随Re的增长率都大于水的对应值。研究还发现,Nu随着λ的增加而减小,随着cp和μ的增加而增加,不随密度ρ变化;同时,λ和μ对Nu的影响比cp大。     

复杂微通道内对流传热的场协同及熵产

利用场协同和熵产原理研究了针肋宽度、凹穴宽度及雷诺数(Re)对凹穴和针肋组合式微通道内对流传热特性的影响,分析了微结构强化传热的本质原因,并对微通道的综合性能进行了评价。结果表明,增大针肋和凹穴宽度能够显著减小传热协同角,提高流场和温度场的协同程度,有利于强化对流传热,但局部漩涡会使流动协同角减小,增大微通道压降;增大针肋宽度能够提高能量利用效率,从而强化传热,但同时导致流动熵产率增大;适当增大凹穴宽度能够减小传热熵产率,但凹穴宽度过大会导致传热不可逆性和流动摩擦均增大;综合考虑泵功、相对针肋宽度和相对凹穴宽度,提出了预测热阻的经验关联式;当相对针肋宽度为0.2,相对凹穴宽度为2时,微通道的热阻最小,综合性能最好。      

锯齿形硅基微通道内流动与换热特性实验

采用微机电系统(MEMS)工艺在硅片上制作锯齿形微通道,并对其内部流动和换热特性进行了实验研究,同时与相同高宽比和当量直径的平直微通道进行了对比,讨论了锯齿形硅微通道强化换热的机理.研究表明:锯齿形微通道内流动摩擦常数fRe和换热努塞尔数Nu较平直微通道均有明显提高,且提高幅度随雷诺数Re增加而增加;相同泵功条件下锯齿形微通道换热热阻显著下降.      

疏水微槽道内层流减阻的实验研究

研究了光滑和带有横向凹槽结构的疏水微槽道内层流的流动特性和表面滑移效应。在硅片上加工了矩形截面微槽道,利用十八烷基三氯硅烷（octadecyltrichlomsilane OTS）在槽道内壁形成疏水薄膜。实验结果表明在光滑疏水微槽道内的水流压降比无滑移条件下的理论值减少8％。对于侧壁带有凹槽结构的疏水微槽道,流动阻力可以降低10％～30％。笔者采用micro—PIV测量得到的壁面表观滑移速度约为槽道中心速度的8％,滑移长度约为2μm。实验结果与滑移壁面条件下三维槽道内层流的解析解吻合,同时得到了带有凹槽结构的疏水微槽道内的流速分布。     

Experimental investigation of surface roughness effects on flow behavior and heat transfer characteristics for circular microchannels

This paper experimentally investigates the effect of surface roughness on flow and heat transfer characteristics in circular microchannels. All test pieces include 44 identical, parallel circu-lar microchannels with diameters of 0.4 mm and 10 mm in length. The surface roughness of the microchannels is Ra=0.86, 0.92, 1.02 lm, and the Reynolds number ranges from 150 to 2800. Results show that the surface roughness of the circular microchannels has remarkable effects on the performance of flow behavior and heat transfer. It is found that the Poiseuille and Nusselt num-bers are higher when the relative surface roughness is larger. For flow behavior, the friction factor increases consistently with the increasing Reynolds number, and it is larger than the constant the-oretical value for macrochannels. The Reynolds number for the transition from laminar to turbu-lent flow is about 1500, which is lower than the value for macrochannels. For the heat transfer property, Nusselt number also increases with increasing Reynolds number, and larger roughness contributes to higher Nusselt number.     

Tribological evaluation of surface modified H13 tool steel in warm forming of Ti–6Al–4V titanium alloy sheet

The H13 hot-working tool steel is widely used as die material in the warm forming of Ti–6Al–4V titanium alloy sheet. However, under the heating condition, severe friction and lubricating conditions between the H13 tools and Ti–6Al–4V titanium alloy sheet would cause difficulty in guaranteeing forming quality. Surface modification may be used to control the level of friction force, reduce the friction wear and extend the service life of dies. In this paper, four surface modification methods(chromium plating, TiAlN coating, surface polishing and nitriding treatment)were applied to the H13 surfaces. Taking the coefficient of friction(CoF) and the wear degree as evaluation indicators, the high-temperature tribological behavior of the surface modified H13 steel was experimentally investigated under different tribological conditions. The results of this study indicate that the tribological properties of the TiAlN coating under dry friction condition are better than the others for a wide range of temperature(from room temperature to 500 C), while there is little difference of tribological properties between different surface modifications under graphite lubricated condition, and the variation law of CoF with temperature under graphite lubricated is opposite to that under the dry friction.     

HIP-Re 组织及力学性能

采用粉末冶金热等静压技术制备了HIP-Re纯铼材料,分析了不同热处理状态对材料微观结构及室温和高温性能的影响。结果表明,热处理温度对材料拉伸性能影响较大,经1 800℃/1.5 h真空处理HIP-Re抗拉强度达到1 196 MPa,伸长率为19.1%;2 000℃抗拉强度达到69 MPa,伸长率达17%以上。粉末冶金铼的晶粒组织多为2～8μm细小等轴晶,HIP-Re断裂方式为沿晶断裂与穿晶断裂共同作用,高温断裂方式为晶间断裂与滑移断裂,在拉伸形变过程中,Re材料内部产生了大量协变的裂纹及微孔,裂纹扩展连接导致断裂。     

过载加速度下涡旋微槽内单相流动特性实验

以体积浓度30%的乙二醇水溶液为工质,对槽宽0.5mm,深宽比为2、3、4的矩形截面涡旋微槽试件在过载加速度条件下的流动特性进行了实验研究。试件所用材料为紫铜,每个试件上按两行分布6个涡旋微槽,所承载加速度由离心式过载加速度试验机提供。分析了不同深宽比的涡旋微槽在不同工质流量和不同过载加速度下的流动特性,得出了微槽结构、工质流速对其流动特性的影响。结果表明,加速度方向对微槽内流动特性有着决定性的影响,且加速度越大,摩擦阻力系数越大。在过载加速度条件下Dean数是决定涡旋微槽抵御和适应过载加速度对其流动特性影响的重要因素。     

不同冷却介质下多道次搅拌摩擦加工对 AZ91镁合金组织和性能影响

对铸态 AZ91镁合金板进行了三种不同冷却条件下的多道次搅拌摩擦加工,即两次空气、一次空气和一次水下、两次水下的搅拌摩擦加工,并对其组织和力学性能进行了研究。研究结果表明：在多道次搅拌摩擦加工过程中,剧烈的塑性变形使搅拌区内呈网状的第二相β-Mg17 Al12显著破碎变成细小颗粒状,搅拌区的微观组织均得到了显著细化,三种不同冷却条件下样品的平均晶粒尺寸分别为5．8μm,1．4μm 和0．8～1μm;两次水下加工的组织更为细小,其显微硬度、抗拉强度和延伸率较其他两种冷却条件下多道次搅拌摩擦加工样品的高,分别为94．7 HV,355．5 MPa 和31．5％。