几何参数对矩形微通道内流体流动特性的影响

以试验手段对8根不同水力直径矩形微通道内蒸馏水的流动特性进行研究,测量得到了矩形微通道内流体流动时摩擦阻力系数f和摩擦常数P_o随Re数的变化规律,分析了矩形微通道水力直径、深宽比及长径比等几何参数对其内流体流动特性的影响规律和方式.结果表明:对于深宽比相同的微矩形通道,水力直径或长径比的减小都将引起内流体流动的f值和Po值的增大;而对于长径比相近而深宽比不同的矩形微通道而言,随着深宽比的减小,微通道内的f值和Po值也将增大;文中研究范围内,深宽比对矩形微通道内流体流动特性的影响更大;矩形微通道内流体流动的摩擦阻力系数是水力直径、深宽比及长径比等几何参数的复杂函数.     

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.     

微通道内纳米制冷剂流动沸腾传热预测模型

以R141b制冷剂为基液,Al_2O_3为纳米颗粒,采用两步法制备了质量分数分别为0.2%、0.5%和0.8%的Al_2O_3-R141b纳米制冷剂,并进行了纳米制冷剂及R141b纯制冷剂在水力直径为1.33 mm的矩形微通道内流动沸腾传热实验。实验工况范围:饱和压力为176 k Pa,入口过冷度为6~12℃,体积流量为20~50 L/h,热流密度为11.1~26.6 k W/m~2。实验结果与7个纯工质传热模型、2个纳米制冷剂传热模型进行比较评价。结果发现,在本实验研究范围内,纯工质传热模型不适用于纳米制冷剂传热系数的预测;Peng-Ding纳米制冷剂传热模型与KimMudawar纯工质传热模型组合对纳米制冷剂传热系数的预测值最接近实验值,平均绝对误差为17.22%,且能较好地反映纳米颗粒对流动沸腾传热影响的规律;结合实验数据对Peng-Ding模型的纳米影响因子(纳米制冷剂与纯制冷剂的传热系数之比)关联式进行修正,新关联式具有较好的预测效果,平均绝对误差为15.2%,且与Bertsch模型的组合能较好地预测微通道内纳米制冷剂传热系数,平均绝对误差降为16.4%。     

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.     

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.     

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.     

微通道内种子汽泡抑制沸腾不稳定性研究

搭建同步光学可视化实验台,以并联三角形微通道硅基热沉为实验段,微通道入口玻璃盖板内侧溅射5个Pt微加热器构成种子汽泡发生器阵列。研究了低入口质量流量下不同种子汽泡触发频率对微通道内沸腾不稳定性的影响。实验结果表明,种子汽泡触发频率作为控制微通道内流动沸腾不稳定的重要参数,单相液体区域,种子汽泡对微通道内流动影响很小;两相区域,随着热流密度增大,压降呈线性上升,壁面温度呈指数式上升。触发频率越高,压降越高,壁面温度下降越大。相同热流密度条件下,高频种子汽泡能够完全消除沸腾不稳定性,壁面温度显著下降,温度均匀性得到明显提升。     

微通道换热器内分流板流量分配特性

以水为工质,以微通道平行流蒸发器为模型,试验研究了1孔、5孔、12孔3种不同结构分流板的流量分配特性,并与无分流板时作了比较.结果表明:集流管的入口雷诺数小于3 000时,无分流板和1孔分流板的流量分配受雷诺数的影响很大,均匀性和稳定性均较差,但无分流板时的均匀性好于1孔分流板,当入口雷诺数大于3 000时,无分流板时的均匀性最差,1孔分流板的均匀性和稳定性变好;在入口雷诺数小于4 000时,5孔分流板的流量分配均匀性和稳定性均较好,当雷诺数大于4 000时,均匀性和稳定性变差;12孔分流板的流量分配均匀性和稳定性始终最好,均匀性随着雷诺数增大而略有提高.     

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.     

T型微通道中液—液两相流流动与混合过程分析

为了揭示T型微通道中液液两相流的混合特性,采用数值模拟与实验对液滴内流体的动态混合过程进行了分析。研究结果表明:在液滴生成时,旋转扰动作用决定了液滴内混合组分的初始分布,是影响混合性能的关键因素。旋转扰动作用使液滴内两相界面发生旋转,混合组分位于液滴的前后部位,从而在液滴内循环流的作用下加强混合。连续相流速是影响旋转扰动作用的主要因素,若连续相流速较小,液滴较长,旋转扰动作用不足以使液滴内的组分充分混合;若连续相流速较大,液滴较小,旋转扰动能够在整个液滴范围内起到作用,混合程度得到大幅提升。当连续相流速增大时,液滴尺寸减小,当Vo为0.04μL/min时,混合指数为0.82,是Vo为0.005μL/min时混合指数的2倍。     

低雷诺数工况下锯齿型翅片性能的参数化研究

基于田口方法,结合均匀设计法对低雷诺数工况下错列锯齿型翅片进行三维参数化数值研究。以单层翅片组件为测试对象,对6种试件的试验表明,仿真结果与试验数据的趋势吻合良好,而存在差异的主要原因是试件加工工艺引起翅片表面存在毛刺。按照均匀设计法得到6因子5水平的11种仿真方案,引入田口方法的信噪比和贡献率,研究各几何参数对翅片性能的影响程度,依次为齿距、齿高、齿型角、错齿距、齿开窗宽度和齿厚。根据各水平下各可控因子的信噪比分布得到翅片的优化模型,并通过仿真验证了优化模型的有效性。     

T型墩应用于低佛氏数水流消能的

低水头闸坝工程的一个普遍水力学问题是低佛氏数水流的消能防冲，其特点是消能率低，为达到较好的消能效果，常常要在消力池加一些辅助消能工程。结合青海省引大济湟调水总干渠闸坝工程的水工模型试验，将T型墩置于海漫浆砌石段，有效的削弱了水流的余能。通过试验可以看出海漫段设置T型墩对低佛氏数的泄水建筑物有较好的消能作用。     

基于韦伯数的气液混输泵气相直径理论预测模型

为了获得叶片式气液混输泵合理的气相直径取值,从而提高其两相流动模拟的准确性,文中从韦伯数这一决定气泡尺寸的关键参数出发,基于临界韦伯数建立了气相直径与转速、流量、含气率之间的相关关系,进而提出混输泵内气相直径的理论预测模型,并在3级叶片式气液混输泵中对该理论预测模型进行了应用.在不同流量和不同含气率的20个工况下,根据试验结果对数值模拟中的气相直径取值进行了标定,并据此拟合确定了理论预测模型中的经验系数,最终气相直径的理论预测值与数值模拟标定值的平均误差为7.28%.通过对气相直径和韦伯数在混输泵轴面流道上的分布规律进行分析,明确了高气相直径和高韦伯数的出现区域,并发现叶轮流道内高体积分数的气相会随主流运动发展,而导叶流道内高体积分数的气相则会聚集形成低速气团并堵塞流道.研究结果对提高气液混输泵两相数值模拟的准确性具有一定的帮助.