内圆柱旋转的Taylor-Couette系统中冷水热对流的数值模拟

在内圆柱旋转的具有径向温度梯度的竖直环形腔中对10^(4)≤Ra≤10^(6),Re≤150范围内不同密度倒置参数下冷水的热对流开展三维数值模拟研究。环形腔的内外半径比η=0.5,高宽比Γ=8。研究结果表明,在离心力和浮力的共同作用下冷水系统中产生了丰富的三维流态,且与常规Oberbeck-Boussinesq流体的流动特征有明显差异。此外,旋转系统中离心作用导致的流态转变能够显著增强腔体中部的局部传热,进而极大地提高系统整体传热性能。在较高转速条件下,Ra的增加有时会导致系统传热性能呈现非单调变化趋势。

微通道内气液两相Taylor流数值模拟

本文采用FLUENT软件对T型微通道内气液两相Taylor流进行模拟,得到了各物理参数对Taylor流的影响规律。在此基础上,采用最小二乘法进行拟合,得到了可以更准确预测T型通道内气液两相Taylor流气泡和液柱长度的经验关联式。

泰勒级数展开在液流控制系统模型中的应用

泰勒级数是工科专业中非常重要的数学工具。为了提高学生的高阶思维能力,总结了泰勒级数的几种展开形式,并列举了泰勒级数在高等数学和液体流量控制系统中的应用实例,最后通过数值模拟验证了结果的可行性。

旋转同心圆筒间Couette-Taylor流动的数值模拟

通过求解三维不可压缩流Navier Stokes方程 ,数值模拟了旋转同心圆筒间的Couette Taylor流动问题 .计算预测了流动失稳的临界Reynolds (Rec)数及相应的空间失稳波长 ,与已有的实验结果相符很好 .同时 ,还计算显示了复杂的流场结构 ,结果表明 ,当Re小于Rec 时 ,流场为二维结构 ;当Re数增大到Rec数之后 ,流场发展成三维定常流动结构 ;当Re数进一步增大 。

毛细管内气液两相流动的CFD模拟

毛细管精馏是一种分离共沸物系的新型分离技术,它利用毛细管的固-液相互作用来改变液体混合物的汽液平衡。毛细管通道内的气液两相流型在低气速时以泰勒流为主,今使用计算流体力学方法,对毛细管内泰勒流的多种影响因素,如:壁面作用、气液速率以及流体物性等进行了研究。首先考察壁面作用的影响,发现壁面粗糙度能改变气液柱形状和流场,粗糙度增大使通道内气液两相流型由泰勒流向泡状流转变,流动状态由层流向涡流转变。模拟不同接触角下的气液流动,发现壁面吸附作用在一定程度上影响气液柱长度和气液界面间的形状。通过模拟不同气液速率下的气液流动,观察气液柱长度与气液速率之间的关系。对模拟气液柱长度进行量纲分析,得到了泰勒流的气液柱长度的关联式,将该式与文献测定值进行比较,发现在一定范围内吻合较好。

壳聚糖助凝对PAC混凝过程的影响

以聚合氯化铝(PAC)为絮凝剂,壳聚糖(CTS)为助凝剂在Taylor-Couette反应器中进行混凝实验.采用粒子成像速度场仪(PIV)研究了不同内筒转速(水力学条件)下CTS助凝对PAC混凝过程中絮体形态和浊度的影响.结果表明,添加CTS后,相应的混凝效果都得到提高,但与单独使用PAC时产生的变化趋势一致,说明适宜的化学条件下,水力条件是制约混凝效果的关键因素;且添加助凝剂有助于降低混凝过程对流体力学条件的依赖性,提高混凝的稳定性.

微通道内Taylor流的计算流体力学数值模拟研究进展

简要阐述了计算流体力学(CFD)中流体体积函数法(VOF)的概念和原理。重点综述了采用CFD方法研究微通道中两相Taylor流的最新进展,包括两相流速度场、气泡或微液滴的生成、发展等流动特性、壁面处液膜厚度的影响因素、微通道内的传质传热特性等。最后展望了微通道内多相流CFD数值模拟的研究重点和应用方向。

基于微吸收器的CO_2吸收过程研究进展

微化工技术在流体流动、过程强化、传质与反应过程等领域备受关注,本文归纳整理了3种不同类型的微吸收器(微降膜吸收器、微通道吸收器和微网格吸收器)捕集CO_2过程中的水力学性质和传质过程及其机理研究进展,并对3种微吸收器吸收CO_2过程中存在的问题进行分析总结,同时对微吸收器能快速工业化提出展望。其中重点介绍了微通道泰勒流吸收器的水力学流动特性,包括泰勒流气泡的生成机制、气泡和液弹的长度、气泡的输运和运动速度、气泡截面形状及液膜厚度和气液两相流压降;归纳了微通道泰勒流吸收过程的传质过程机理和传质系数的模型以及不同影响因素(通道截面尺寸,通道长度,主通道结构及入口形状,气、液相组成及其流速,吸收剂和系统压力)作用下CO_2吸收效率和传质系数的研究进展。

湍流泰勒涡流特性的数值模拟

利用数值解截断误差所形成的小扰动在雷诺应力方程(RSM)的数值迭代过程中的发展,求解具有内筒旋转和固定端面的同轴圆筒环隙间的湍流泰勒涡流;然后在数值模拟出湍流泰勒涡流的基础上,定量分析湍流泰勒涡流的周向速度的波动性及其壁面附近的速度陡降特性、沿半径向外的强射流特性、轴向速度周期分布特性、压力周期波动特性、壁面切应力极化特性和强湍动射流特性;对比前人对湍流泰勒涡流进行实测的结果,数值模拟湍流泰勒的流动特性误差在30%以内。

侧墙对中等半径比同心旋转圆柱间Taylor-Couette流的影响——I层流涡

对有限长中等半径比同心旋转圆柱间Taylor-Couette流进行了数值计算，以研究侧墙对Taylor-Couette流的影响。圆柱的半径比为0．83，形状比为6，泰勒数在0～357之间。内圆柱旋转，外圆柱静止。数值计算结果表明，在无滑移侧墙边界条件下，在泰勒数低于临界泰勒数时，在侧墙边界层的作用下侧墙附近出现侧墙涡，而在滑移侧墙边界条件下，直到泰勒数大于临界泰勒数，轴间才出现明显的涡流。当泰勒数处在89～112之间，侧墙静止和侧墙旋转时产生的最大径向速度分别约为内筒表面线速度的3％～4％和7％～10％。侧墙静止时，随着泰勒数的增加，边界层的厚度也随之递增。侧墙旋转时，边界层厚度基本不变。在泰勒数大于临界泰勒数时，随着泰勒数的增加，侧墙静止和侧墙旋转时侧墙涡的轴向长度分别增加和减少，在滑移边界条件下，侧墙涡的轴向长度约等于轴间距。在3种侧墙边界条件下，层流涡向波动涡转捩的临界泰勒数变大。

混凝过程中絮体形貌的PIV成像观测与表征

采用粒子成像速度场仪（PIV）对Taylor-Couette反应器内的混凝过程中絮体的微观形貌进行了观测与表征。结果表明，内筒转速在20～60r/min 范围内，生成的絮体颗粒较大，粒径分布均匀，絮凝沉淀效果最好。由于内筒旋转速度的变化直接导致混凝流场形态的变化，所以混凝过程中流场形态的变化对絮体生长过程有重要影响，进而直接影响到混凝效果。混凝过程中流场的周期性变化、涡间存在液体传递的波状涡结构有利于絮体颗粒的结合生长，并导致较高的絮凝沉淀去除率。这也说明 PIV 技术能够在测量流场的同时较好地反映混凝过程中微絮体的形貌变化特征，从而实现对絮凝过程的原位观测与表征。

Couette-Taylor-Poiseuille流的数值模拟

对中等半径比同心旋转圆柱间Couette-Taylor-Poiseu ille流进行了数值计算,并与已有的实验数据进行比较以获得流场的更多信息。结果表明,数值计算与实验结果吻合较好,依次再现了层流涡、波动涡、非波动螺旋涡以及波动螺旋涡;轴流可以起到稳定流场的作用,轴流存在时,流场转捩的临界泰勒数Ta值会变大,涡胞变小,涡心不再位于轴间隙的中间,从左向右的轴流比较明显,交替指向内轴和外轴,并缠绕在涡胞的周围;除去平均轴流速度后,速度矢量场显示出不同的涡形,形状与相同Ta时的涡胞基本相同;在不同的泰勒数Ta和雷诺数Re下,涡心的轴向传播速度约为平均轴向流速的1.17倍,相传播速度约为内筒转速的0.42倍。

Taylor-Couette流与旋转圆柱轴间流体膜润滑与密封

对国内外Taylor-Couette流的形成与发展,旋转圆柱轴间流体膜润滑与密封的数值计算及其相关实验的研究现状进行了分析。分析结果表明,应用雷诺润滑方程求解旋转圆柱轴间流体膜润滑与密封问题有其先天的不足,雷诺润滑方程的推导过程中所采用的假设不尽合理,在雷诺润滑方程的基础上进行惯性力修正和涡粘性修正,或者是人为地对3种流动进行解耦,只能作为一种近似计算。从Taylor-Couette流的基本理论出发,计算旋转圆柱轴间流体膜润滑与密封应是计算其层流问题的发展方向。对于湍流润滑与密封,直接模拟(DNS)和大涡模拟(LES)应是首选方案。

垂直上升弹状流中液弹长度分布

提出了计算垂直上升弹状流中尾随Taylor气泡上升速度的关系式;并基于气泡追赶合并机理,建立了预测沿管路任意位置液弹长度分布模型,提供了弹状流发展过程中弹长分布的变化情况。

旋转流动混沌行为的全局稳定性分析及数值仿真

同轴圆筒间旋转流动的Couette-Taylor流问题是近一个世纪以来人们普遍关注的热点问题,由于其流动形态的可观测性以及它在湍流研究中的基础性地位及其在流体机械、石油化工等领域的广泛应用,国际上将其列为非线性科学的范例之一.为了探讨这种流动从层流到湍流过渡的方式以及流动发展到湍流之后混沌吸引子的某些特征等问题,该文采用低模分析方法研究了Couette-Taylor流的部分动力学行为及仿真问题,探讨了同轴圆筒间Couette-Taylor流三模态类Lorenz型方程组的动力学行为及仿真问题,数值模拟了系统分岔与混沌的演变历程,讨论了系统的全局稳定性.

沟槽壁面和温度梯度对环隙内流场稳定性的影响

利用PIV结合折射率匹配法对光壁和沟槽模型内的Taylor-Couette流动进行测量，通过加热内圆柱构建不同的温度梯度工况以及在外圆柱壁面上安装沟槽，研究沟槽和温度梯度对泰勒涡动稳定性的影响规律。试验模型的内外圆柱的半径比为0．825，纵横比为48，雷诺数Re=80～110，研究中考察格拉晓夫数Gr=3600，6700两种不同的温度梯度工况对流场的影响，试验结果表明，温度梯度作用下使得不同模型内的泰勒涡具备了轴向运动的速度，同时泰勒涡的轴向尺寸也发生改变，随着温度梯度增加，环隙内向外圆柱方向的径向速度有所增加；泰勒涡的运动速度随着温度梯度的增加而增加，相同温度梯度下，随着Re的增加，泰勒涡的运动速度也随之增加；沟槽模型的存在增加了环隙内的径向速度，较光壁模型增加了130％，且受到沟槽和温度梯度的共同作用，使得泰勒涡中逆时针旋转的涡胞尺度增加，涡心位置偏离内圆柱。

泰勒流反应器的流动及反应特性

利用由静态混合器、喷嘴和分气盒组成的新型布气装置在搅拌釜式反应器中诱导生成泰勒流,对反应器流动特性及反应特性进行了实验研究。结果表明,与常规搅拌釜式反应器相比,泰勒流反应器内物料流动更加接近于平推流流型,泰勒流的生成在反应器内构建出局部平推流区域,降低了物料返混程度。反应器反应性能因流动特性改变而得以增强,相同实验条件下,在泰勒流反应器中进行的蔗糖水解反应转化率比在常规搅拌釜式反应器中高出26.7%。在一定操作范围内,局部平推流区域和反应转化率均随搅拌转速或进气量的增加而增大。泰勒流反应器可简化为平推流区和全混流区并联的流动模型,推导出了反应转化率与平推流区域占反应器总体积比率之间的关联关系。

Taylor-Couette流场特性的PIV测量及数值模拟

采用粒子成像速度场仪（PIV）和数值模拟（CFD）对Taylor-Couette流场进行测量,获得各转速下涡流场信息。将同等条件下PIV测量结果与数值模拟结果相联系,对比分析不同旋转雷诺数范围内涡流场中不同径线和中轴线上各向速度的变化特征。结果表明,各种特征存在一定的转速分段范围：在2-7r/min（Re为100-350）时,各向速度特征为层流涡特性,在7-40r/min（Re为350-2000）时,各向速度特征为波状涡特性,在40-60r/min（Re为2000-3000）时,各向速度特征为调制波状涡特性,当转速大于60r/min（Re大于3000）时,各向速度特征为湍流涡特性。根据不同角度获得的各向速度特征对应的内筒转速、旋转雷诺数与流场涡形态的关系,明确分析出特定几何条件下,泰勒涡发生形态转变的旋转雷诺数,以便于深入探究泰勒涡流场的特性,定量分析涡运动形态特征。

Couette-Taylor流的谱Galerkin逼近

利用谱方法对轴对称的旋转圆柱间的Couette＿Taulor流进行数值模拟· 首先给出Navier＿Stokes方程流函数形式,利用Couette流把边界条件齐次化· 其次给出Stokes算子的特征函数的解析表达式,证明其正交性,并对特征值进行估计· 最后利用Stokes算子的特征函数作为逼近子空间的基函数,给出谱Galerkin逼近方程的表达式· 证明了Navier＿Stokes方程非奇异解的谱Galerkin逼近的存在性、唯一性和收敛性,给出了解谱Galerkin逼近的误差估计。

旋转流动的低模分析及仿真研究

为了探讨Couette-Taylor流从层流到湍流过渡的方式以及流动发展到湍流之后混沌吸引子的某些特征等问题,采用低模分析方法研究了Couette-Taylor流的部分动力学行为及仿真问题,讨论了Couette-Taylor流三模态类Lorenz型方程组的动力学行为,包括定态的失稳、极限环的出现、分岔与混沌的演变和全局稳定性分析等.通过线性稳定性分析和数值模拟等方法给出了此三维模型分岔与混沌等动力学行为及其演化历程,并借此解释了Couette-Taylor流试验中观察到的部分涡流的演化过程.基于系统的分岔图、Lyapunov指数谱、功率谱、Poincaré(庞加莱)截面和返回映射等揭示了系统混沌行为的普适特征.