多孔介质壁面条件下微尺度流动的数值模拟

利用多孔介质模拟微通道壁面粗糙元,建立了一种新的微尺度化流场的数值模拟方法.多孔介质模型厚度由微通道壁面相对粗糙度折算,多孔介质的阻力系数由该区域内的流态及阻力计算;配合采用k-ε和k-ω多种形式的湍流模型,对边长为600μm的方形断面微通道流场在雷诺数分别为100和300的情况下进行了数值模拟计算.通过模拟结果与Micro-PIV测量数据的对比分析发现,采用realizablek-ε湍流模型,搭配多孔介质微尺度化模型进行数值计算,能够有效地模拟微尺度流场的流动状况,而标准k-ε湍流模型和RNGk-ε湍流模型的微尺度模拟计算结果虽接近试验测量值,但仍有偏差;标准k-ω湍流模型和SSTk-ω湍流模型的微尺度模拟效果较差.     

齿形微通道内流流场数值模拟及试验研究

以断面尺寸800μm×800μm的齿型微通道为研究对象,在雷诺数为100和300流动条件下对微通道内流进行试验测量和数值模拟.利用Micro-PIV技术,获取了微通道内流流场速度矢量分布图和流线图,试验结果发现微通道内流在各齿之间流动结构具有重复性,齿内流场包含高速区和低速区,且低速区在转向内侧和左顶角区域存在回流,内附一个完整的涡旋.数值模拟采用多孔介质模拟微通道壁面粗糙元、配合realizable k-ε湍流模型的数值模拟方法,对微通道几何结构单齿建模,利用周期性边界条件模拟计算得到了微通道内流流场分布,模拟流场与试验结果特征相同;在微通道内流特定截面上进行流速定量分析,分析结果为模拟值与试验值吻合程度高,证明该模拟方法在较大雷诺数范围内均适用于复杂结构的微通道内流流动模拟计算.     

齿形微通道内流流场数值模拟及试验研究

以断面尺寸800μm×800μm的齿型微通道为研究对象,在雷诺数为100和300流动条件下对微通道内流进行试验测量和数值模拟.利用Micro-PIV技术,获取了微通道内流流场速度矢量分布图和流线图,试验结果发现微通道内流在各齿之间流动结构具有重复性,齿内流场包含高速区和低速区,且低速区在转向内侧和左顶角区域存在回流,内附一个完整的涡旋.数值模拟采用多孔介质模拟微通道壁面粗糙元、配合realizable k-ε湍流模型的数值模拟方法,对微通道几何结构单齿建模,利用周期性边界条件模拟计算得到了微通道内流流场分布,模拟流场与试验结果特征相同;在微通道内流特定截面上进行流速定量分析,分析结果为模拟值与试验值吻合程度高,证明该模拟方法在较大雷诺数范围内均适用于复杂结构的微通道内流流动模拟计算.     

微尺度内流流场数值模拟方法及实验

以Micro-PIV实验测量的微尺度流场为基础,利用Fluent数值计算软件设计最佳微尺度流动数值模拟方案.针对微尺度特性,采用设定壁面粗糙度和多孔介质模拟粗糙元的微尺度效应处理方法,利用Fluent软件提供的realizable k-ε模型和标准k-ω模型,分别在Reynolds数为100和300情况下对边长600μm的矩形断面的微通道内流场水流流动进行数值模拟,通过各种数值模拟方案下计算出的速度场与Micro-PIV实验结果的对比,得出以多孔介质模拟壁面粗糙元、配合realizable k-ε模型进行数值计算的方案是微尺度流场CFD的最佳方案.     

Gauss型粗糙表面对微通道流动与换热的影响

采用高斯分布描述粗糙表面形貌,提出了利用Coons曲面构造三维矩形粗糙微通道的方法,建立了光滑微通道和三条粗糙微通道。在等温壁面条件下,数值模拟了饱和水在微通道内的层流流动,分析了表面粗糙度对流动阻力特性及传热特性的影响。研究结果表明：区别于光滑微通道,粗糙微通道的Po和Nu高于理论值,不再保持常数,随着雷诺数的增大呈近似线性增加;受表面轮廓高度随机性的影响,沿程压降和Nux呈随机波动式变化,粗糙度越大波动越剧烈;Po和Nu随等效相对粗糙度的增加而变大,且在所研究Re范围内相对粗糙度对层流换热的强化作用比对流动阻力的影响更显著;微通道内等温线向粗糙度大的下表面偏移,温度分布呈现非对称性,随着粗糙度差距的变大,非对称性愈来愈明显。     

离心泵尾流-射流现象及粗糙度对其影响的分析

为减小叶轮内的流动损失,结合计算流体力学、壁面函数法和等效沙粒粗糙度模型,研究了离心泵叶轮流道内的尾流-射流现象及其受粗糙度的影响规律。对比试验和数值模拟结果,确保了所选计算方法和湍流模型(RNG k-ε模型)能够准确反映内流场的变化。研究表明:在叶轮流道内相对速度W的分布存在明显的尾流-射流规律,且吸力边后盖板附近的边界层厚度较大,尾流区主要在吸力边后盖板附近;在叶轮出口处,尾流区则出现在吸力边的前盖板附近。粗糙度对叶轮流道内湍流的影响较大,对压力边和吸力边相对速度的影响相反。粗糙度对内部流动的影响存在一个过渡值,当粗糙度大于此值时,粗糙度对流动的影响与粗糙度小于此值时相反。随着粗糙度的增加,叶轮出口处相对速度波动的振幅增加。     

不同雷诺数下混流式水轮机密封间隙通道内流动特征分析

针对水轮机密封间隙流道空间尺度相差较大,为实现对间隙流道的整体精确计算,文中采用分步投影法,求解间隙流道内不可压缩的Navier-Stokes方程.为更好地捕捉到间隙通道内的涡结构特征,对梳齿密封间隙采用六面体网格划分,在壁面边界处进行网格加密.扩散项采用二阶中心差分格式,对流项采用Quick迎风差分格式.通过数值求解得到不同流动雷诺数下间隙流道内速度、压力及涡量的分布规律,同时得到顶盖压力、间隙流道产生的轴向推力和转轴力矩.计算结果表明：流体从间隙进入梳齿空腔后,形成典型的旋涡耗能结构而耗散部分动能,对降压节流起到主要作用,同时,雷诺数对腔体内的旋涡形态影响较大.计算结果有助于理解不同流动雷诺数下水轮机密封间隙渗漏流道内复杂流动的真实物理机理以及密封间隙对轴系结构动力学特性的影响.     

微灌滴头内流Micro-PIV测量及流道结构优化研究

以600 m方形断面锯齿形微灌滴头为研究对象,利用Micro-PⅣ技术测量了滴头流道内流流场.实验平台通过显微装置、滤光技术以及采用高像素、高灰阶CCD相机进行升级,得到了详细的微通道内流流场分布信息,针对流场中存在的低速回流区进行了局部放大测量,从测量得到的速度矢量图和流线图中发现,齿尖部位存在大小不等、方向相反的2...     

内置阻块和挡板微混合器的性能

为提高微机电系统中微混合器的混合效率,基于混沌对流原理,研究了一种流道内布置周期性阻块和挡板结构的被动式微混合器.首先,采用田口分析方法,研究了流道结构参数对流体混合的强化效果,得到微混合器的最优结构参数组合;然后,与现有试验和模拟结果进行对照,验证了数值模拟方法的可靠性;最后,通过CFX数值模拟软件对其内部流场及混合特性进行研究分析.结果表明,倾斜挡板和圆柱形阻块的周期性设置,使微混合器中心处Y方向的速度分量u_y沿X轴作周期性变化,提高了混沌对流强度;当雷诺数超过20时,微流道内产生了一系列复杂的涡结构,大大增加了2种混合流体的接触面积,促使2种流体实现完全混合.     

滴灌灌水器流体流动机理及其数字可视化研究

在充分考虑灌水器流道边界条件以及各种微尺度因素影响的前提下，应用流体力学的一般原理分析灌水器微小流道中流体流态特征，并且利用N-S(Naxier-Stokes)方程描述灌水器微内流场，建立微小流道中流体k-ε紊流模型，通过对模型求解得到流场压力、速度分布．可视化了微小流道中流体的复杂流动，数字化的实验模型有效地减少了实物实验的次数，实现了高性能灌水器低成本、高效率的自主开发。     

螺旋弯管内流动与传热特性的数值模拟

针对螺旋弯管内的流动与传热特性,以螺旋弯管传热试验中试验件模型为研究对象,基于Realizable k-ε湍流模型、第一类热边界条件下的薄壁热阻模型,对不同进口来流条件下,采用Fluent对螺旋弯管内水的流动与换热进行数值模拟.计算得到了螺旋弯管内速度场与温度场的分布,通过数值模拟结果与试验结果的比较,验证了数值模拟方法的正确性.结果表明:随着进口来流雷诺数的增大,螺旋弯管内的二次流迪恩涡核心向弯管管壁扩张;在螺旋弯管小曲率比、来流雷诺数2 280~6 000内,螺旋弯管的强化换热综合性能最佳;对模拟结果数据利用多元线性回归法,推导出螺旋弯管内换热努赛尔数、进出口压力降的准则关系式.研究结果可为螺旋管式换热器设计与优化提供一定的参考依据.     

基于VOF法的坡面薄层流水力特性数值模拟

应用Fluent计算软件,采用VOF方法对坡面薄层流进行自由表面追踪,结合标准k-ε紊流模型模拟了不同粗糙度床面条件下流速、雷诺数、弗汝德数以及阻力系数的沿程变化,并验证了数值模拟方法的正确性。结果表明,数值模拟方法具有可行性,坡面薄层水流表面张力作用不可忽略。     

入口非均匀流对轴流泵性能和压力脉动的影响

为研究入流条件对轴流泵的影响,建立了2种不同类型的非均匀速度入口分布,分别与均匀入流进行比较,得到非均匀入口边界条件对轴流泵影响的数值计算结果.将均匀入流下的数值模拟结果与试验值进行对比,验证了数值模型的可信性.在0.7Q~1.2Q工况范围内,对轴流泵的扬程、效率和径向力等曲线进行了对比分析,得出受入口速度非均匀性影响、轴流泵性能和径向载荷的变化结果.最后,在定常模拟的基础上,对设计工况下叶轮入口、叶轮出口和导叶出口处的压力脉动进行了监测,得到了2种非均匀入流条件对轴流泵3个典型位置处压力脉动的影响情况.结果表明,通过控制进口入流情况,可以使文中所研究的轴流泵的水动力性能好于轴向均匀入流时的水动力性能.     

吸水口上自由表面旋涡的LES-LBM模拟

为了实现高雷诺数下自由表面旋涡生成与演化过程的数值模拟,将标准Smagorinsky亚格子应力模型引入到三维单相自由面格子Boltzmann方法中,建立结合大涡模拟的格子Boltzmann方法（LES-LBM）.当进口雷诺数分别为5×104和105时,考虑重力和科氏力的作用,采用LES-LBM对长方形水槽底部吸水口上方的自由表面旋涡的生成与演化过程进行数值计算,再现了自由表面旋涡发展过程中的典型流态,并根据其特点将自由表面旋涡的发展过程分为4个典型阶段.对比分析有、无科氏力作用下的高雷诺数流动算例,验证科氏力的作用.对自由表面旋涡发展过程中的B型（染色旋涡和挟物旋涡）和D型（连续吸气旋涡）自由表面旋涡的径向速度、切向速度以及轴向速度沿吸水口半径方向的分布规律进行重点分析.数值计算结果表明：采用结合大涡模拟的单相自由面格子Boltzmann方法,可以有效模拟高雷诺数下的自由表面旋涡生成与演化过程;验证了科氏力在诱导并促进自由表面旋涡发展过程中的作用;计算获得的自由表面旋涡内部流场的各速度分量沿径向的分布规律与试验结果定性一致,且几乎不随进口雷诺数的不同而改变.     

基于PANS模型的湍流Taylor-Couette流及其换热特性

以同轴圆筒环隙内流体为研究对象,通过多种湍流模型计算结果与PIV测试结果的对比分析,建立了基于局部时均化模型(PANS)的环隙内湍流流场的数值模拟方法,在此基础上重点研究了沟槽模型内湍流流场分布与换热特性,获得不同旋转雷诺数、内外壁面温度梯度对流场分布及其换热性能的影响规律,同时研究了沟槽内涡流的形成机理及沟槽区域流体速度、剪切力及热流密度分布.结果表明:当流场转捩为湍流Taylor-Couette流时,泰勒涡沿轴向呈现无规则波动运动,并且泰勒涡轴向尺寸随雷诺数及内外壁面温度梯度增加而增加,径向速度与内壁面热流密度沿轴向的变化趋势表明:径向速度引起的射流作用对内外壁面间热量交换有直接影响;环隙内流体经过沟槽区域时撞击沟槽壁面,在惯性力、黏性力及壁面剪切力相互影响下形成涡流;沟槽区域的速度与壁面剪切力的变化呈现一致性,热流密度的变化与之相反.     

射流泵全特性工况的数值分析及试验研究

为了解射流泵在全特性工况下的性能和内部流场特性,采用数值分析和试验的方法对其进行研究.结果显示:在全特性工况范围内,射流泵数值模型的扩散管出口静压与流量比之间近似呈负线性关系,基于Realizable k-ε湍流模型预测的射流泵量纲一化性能曲线与试验结果基本一致,压力比和流量比之间也近似呈负线性关系;在正压正流状态下,数值分析与试验结果之间的压力比相对误差随着流量比的增大而增大,相对误差最大值约为0.26;在正压反流状态下,相对误差较小且较为稳定,最小值约为0.02;在最高效率工况附近,射流泵吸入室内部流场的速度矢量分布比较均匀,随着流量比减小,吸入室内流场会出现较为明显的局部涡旋;射流泵喉管进口截面的轴向流速分布不均匀度最大,喉管中间截面及其后续流动空间的轴向流速分布则较为均匀,在正压正流状态下,喉管内的流体混合过程主要发生在喉管中间截面之前的流动空间.