Effects of chemical reactions on MHD micropolar fluid flow past a vertical plate in slip-flow regime

Heat and mass transfer effects on the unsteady flow of a micropolar fluid through a porous medium bounded by a semi-infinite vertical plate in a slip-flow regime are studied taking into account a homogeneous chemical reaction of the first order. A uniform magnetic field acts perpendicular to the porous surface absorb micropolar fluid with a suction velocity varying with time. The free stream velocity follows an exponentially increasing or decreasing small perturbation law. Using the approximate method, the expressions for the velocity microrotation, temperature, and concentration are obtained. Futher, the results of the skin friction coefficient, the couple stress coefficient, and the rate of heat and mass transfer at the wall are presented with various values of fluid properties and flow conditions.

不同分数导数下Maxwell杂化纳米流体流动和传热变化的灵敏度分析

研究多孔介质中垂直拉伸板引起的分数阶Maxwell杂化纳米流体流动与传热现象,并考虑二阶滑移边界条件.利用分数阶剪应力和分数阶Fourier定律构建边界层控制方程.然后采用有限差分结合L1算法进行数值求解,并详细讨论分数导数参数增大时,各物理参数对该流体流动与传热影响的灵敏度变化.结果表明,Darcy数和滑移参数对平均表面摩擦系数的影响,以及滑移参数对平均Nusselt数的影响,对速度分数导数比对温度分数导数更敏感.Darcy数对平均Nusselt数的影响只对温度分数导数敏感,与速度分数导数几乎无关.此外,一阶滑移参数比二阶滑移参数对流动和传热的影响更大.

纳米限域Couette流边界气泡减阻机理

气泡减阻技术对于提高水下航行器推进效率,降低航行过程中的综合能耗具有重要意义.本文采用分子动力学方法研究了气-液两相Couette流在平行壁板纳米通道内的流动特性和气泡边界减阻特性,分析了表面润湿性、壁面粗糙度和气体浓度对边界滑移速度和减阻效果的影响规律.研究结果表明:气泡减阻效果随边界滑移速度的增大而增强;在气-液两相流动区域,随着剪切速度的增大,边界吸附气泡的横向变形和边界滑移速度增大,边界气泡减阻效果增强.固-气相互作用强度和气体浓度增大均导致气体原子在近壁面的富集现象增强,提高了壁面上气泡的铺展特性,从而增大了固-液界面滑移速度.壁面粗糙度会改变气泡的铺展特性,影响边界滑移速度,进而改变流固界面减阻效果;随着肋高的增大,气体原子在肋条间凹槽中聚集,肋条上表面气体原子吸附量减少,导致固-液界面边界滑移速度减小,并最终降低了减阻效果.研究结果将对大型舰船和水下航行器边界减阻技术提供重要理论指导.

穿越液化流滑区盾构隧道纵向非线性地震响应研究

为了明确场地液化流滑区越江跨海盾构隧道结构的抗震性能,以宽河谷微倾斜可液化场地在不同地震动强度下土层的位移时程作为输入地层震动状态,并基于广义反应位移法,建立了4.8 km精细化梁-弹簧盾构隧道模型,研究了场地液化流滑对盾构隧道纵向地震响应和相邻管环纵向张开量的影响。研究结果表明:场地的液化流滑将导致盾构隧道产生极大的环间纵向张开量、截面拉力和压力突变,充分说明了场地流滑对隧道结构地震安全的危害性;盾构隧道损害严重位置处均位于液化土层的滑动面;沿轴线的弯矩变化曲线与加速度放大系数曲线和河谷地形具有一致性,且曲线在液化区呈现出明显的突变现象。

基于滑移流模型的真空容器内羽流流场数值仿真

预示真空容器内羽流的力、热分布规律是制定大型真空羽流试验方案、提升试验环境模拟有效性的关键前提之一。针对“嫦娥七号”飞跃器点火试验,利用考虑H_(2)O与CO_(2)吸附的滑移流计算流体力学(CFD)方法,对真空容器内羽流流场压力、温度及气体组分时空分布的初期变化进行了仿真计算。结果表明,流场整体温度与H_(2)O组分质量分数均随时间推移呈急剧上升后平稳下降趋势,而压力则随时间推移呈波动上升趋势。基于该结论提出了试验优化建议。该方法为真空容器内羽流流场仿真提供了新思路,可为后续相关试验方案设计提供支撑。

黄土地震滑坡运动特征研究——以海原特大地震诱发滑坡为例

基于1920年海原81/2级特大地震诱发的568处典型黄土滑坡,从方向性特征、远程滑移特征以及流滑特征等3个方面探究黄土地震滑坡运动特征,主要结论如下:(1)海原地震诱发黄土滑坡主滑方向集中于60°~90°和270°~300°两个区间,与斜坡坡向优势范围50°~90°和255°~290°较为一致,体现出明显的顺坡向特征;(2)主滑方向与发震断裂走向平行或呈小角度相交(0°~30°)的滑坡占比41.9%,滑动方向受断层错动方向的影响较为显著;(3)滑坡密集分布于迎坡面,发育数量为背坡面的1.98倍,表现出典型的迎坡面特征;(4)滑坡最大水平距离与坡高的相关性明显,滑坡密集发育在坡高30~120 m的范围内,滑坡的等效摩擦系数均小于0.4,展现出典型的远程滑移特征;(5)568处滑坡中等效摩擦系数小于0.17的占比70.95%,表现出显著的流滑特征。作为黄土地震滑坡发育特征研究成果的重要补充,所得结论对深入开展黄土地震滑坡成灾机理与风险评估研究具有一定的参考价值。

含沙流下双吸泵磨蚀特性分析

为深入分析含沙流下双吸泵磨蚀特点,采用RNGk-ε模型计算获得叶片正背面的剪切力、泥沙分布及固液滑移速度等参数,进而基于正交试验法对含沙量、沙粒直径和进口流速等对磨蚀的影响进行分析。研究表明,在含沙流下,叶片正、背面沙粒多集中在进口处。固液滑移速度受沙粒直径影响最大,沙粒直径增大,固液滑移速度也随之增大。三种因素中,沙粒直径对双吸泵磨蚀的影响权重最大,含沙量其次,流量的影响相对较少。

两层热对流系统传热与流动结构的实验

双层热对流系统广泛存在于自然界中。为研究该系统的传热规律,刻画其中的流动结构特性,在矩形对流槽中使用甘油和2 cs硅油两种互不相溶的液体作为工作介质。位于底部的甘油液体层宽高比为10.4,其下表面是无滑移固液边界,上表面为滑移交界面,底部甘油层的实验参数为Rayleigh数范围260≤Ra 1≤6000,Prandtl数范围3708<Pr_(1)<7000。硅油液体层的宽高比约为0.53,上表面为无滑移固液边界,硅油层Rayleigh数范围1.5×10^(9)≤Ra_(2)≤2.0×10^(10),Prandtl数范围28<Pr_(2)<33。发现两层对流系统在两个区间内有不同的传热效率和流动状态。在区间1,即传热功率小于某个特定热流时,下面甘油层处于稳定层流状态。而在区间2,即传热功率大于该热流时,甘油层内液体处于不稳定对流状态。随着全局温差的增加,两层热对流系统的全局传热效率从区间1到区间2有一个突然的增加。甘油层的振荡失稳临界Rayleigh数为1523,这个数值小于无限大平板无滑移边界的理论预测值1708,即滑移边界可使流体更不稳定,并使得硅油层的传热效率增加。采用阴影法对该系统内的对流斑图、交界面以及热羽流等流动结构进行了进一步刻画和分析。

分数阶Maxwell纳米流体二阶滑移流动与热传递分析

在考虑二阶滑移边界的影响下,对多孔介质中垂直拉伸板引起的分数阶Maxwell纳米流体流动与热传递特性开展分析研究。利用分数阶剪切应力和分数阶Cattaneo热通量模型构建二维边界层控制方程,采用有限差分和L1算法进行数值求解。对不同物理参数下的速度、温度、平均表面摩擦系数和平均Nusselt数的变化趋势进行图形化分析。研究结果表明,牛顿流体的流动性能和热传递优于粘弹性流体;速度分数阶导数参数和温度松弛时间会恶化对流和热传递,而温度分数阶导数参数和速度松弛时间则促进对流和热传递;滑移参数降低了流体初始速度,一阶滑移参数对流动和热传递的影响大于二阶滑移参数;流动和热传递对各物理参数的敏感度随该物理参数的增大而下降。

考虑滑面材质的碎屑流试验堆积特征分析

为分析高速远程滑坡运动与堆积特征,在室内设置物理试验模型,设计级配、坡角、碎屑流质量、滑面材质4种因素,分析各因素对碎屑流堆积特征的影响。研究结果表明:坡角减小、滑面更粗糙使部分颗粒堆积或滞留于坡面,颗粒堆积特征与颗粒完全堆积于坡底时相比存在差异;滑面材质与冲程等堆积特征基本呈负相关,坡角与堆积特征基本呈正相关,二者对堆积特征影响最大;碎屑流质量与堆积特征基本呈负相关,对颗粒堆积特征分布影响较小;级配与颗粒堆积特征无明显相关性。

扭力冲击器流体仿真优化与试验

钻井作业过程中的粘滑现象严重制约了钻井提速,而扭力冲击器通过将部分钻井液的能量转化为扭转冲击能,产生高频低幅的扭向冲击力,以解决钻进时钻头的“粘—滑”问题,从而提高钻进效率。为了弄清钻井液在扭力冲击器中的流场特性以及影响扭力冲击器输出冲击扭力的因素,文章对自主研发的扭力冲击器做了4个典型工况下的钻井液在纵横向上的压力和流速分布仿真及排量大小、分流孔结构对扭力冲击器输出冲击扭力的影响。结果表明,扭力冲击器的锤座、偏心锤、换向阀在不同工作状态下所受的流体冲击扭力范围分别为156.4~1484.7、572.7~2219.4、728.4~735.6 N·m;直槽式方形孔的效果较好;随着钻井液排量的增加,冲击扭力增加。该扭力冲击器经过地面测试,在钻井液排量达到30 L/s以上时,其扭力冲击可以达到900 kN以上,并在试验井中实现提速22%。

基于动态热流分配的限滑离合器温度场分布研究

为了准确获得限滑离合器长时间滑摩过程的温度场分布规律,利用Fluent软件求解了摩擦副不同工况下流场速度分布以获取平均对流换热系数,计算了润滑油冷却功率;通过热平衡法建立以摩擦接触表面温度连续为约束的动态热流分配温度预测模型,并设计了长时间滑摩试验。验证分析结果表明,定热流输入条件下,对偶钢片与摩擦片间存在温差且随时间增大,温度预测结果均高于试验值,最大偏差22.2 K;动态热流分配温度预测偏差在8.1 K之内;对偶钢片表面各位置处输入热功率随时间下降并趋于定值,平衡温度沿径向呈抛物线分布,在中、外径处达到峰值。

阀控充液式液力偶合器换热特性研究

在液力偶合器的使用过程中,由于转差损失与液力损失,会使其工作水液的温度上升,进而影响液力偶合器的工作性能,为了解决这一问题,对阀控充液式液力偶合器的换热特性进行了研究。首先,构建了含有进出水口双腔流道的瞬态换热计算模型,并对其进行了网格无关性验证;然后,采用多步求解方式对正常运转工况、堵转工况及循环换水工况的流动换热进行了数值模拟计算;最后,对比分析了不同工况下的液力偶合器温度场分布特性,探讨了液力偶合器内流场的流动换热变化规律。研究结果表明:正常工况及堵转工况流场整体温度皆呈现明显的线性上升趋势;以240 L/min流量进行循环换水时,流场温度呈先快后慢的下降趋势,20 s内可将流场温度降至30℃左右。采用该研究结果,可以准确地预测液力偶合器内流场温度变化,可为液力偶合器优化、换水调控提供理论参考。

基于滑移边界的饼干面团双辊挤压成型的数值模拟

饼干是广受欢迎的零食之一,饼干面团的量化生产要求各个面团的挤出重量保持稳定性和一致性。饼干面团属于非牛顿流体,采用Polyflow软件对饼干面团在双辊挤压成型过程进行数值模拟,分析滑移系数和辊子转速之间的关系以及饼干面团挤出流量的均匀性。结果表明:面团出口流量具有不均匀性,五个孔道出口流量呈现中间大两边小的分布。滑移系数和辊子转速呈线性正相关,数值模拟可预测出口平均质量流量,且预测精度不会随转速的增加而降低。

界面极限滑移条件下的液膜密封流场平均速度分布规律

为研究液膜密封流场平均速度分布规律,及其与流-固界面剪切应力之间的关系,基于Couette流动模型建立存在边界速度滑移时的密封间隙流场速度计算模型,采用Mixture均相模型和Schnerr-Sauer空化模型,通过数值模拟考察界面无滑移(滑移速度为0)和无剪切(滑移速度最大)2种极限情况下不同转速时液膜轴向不同位置处的微流场径向、切向和轴向速度分布,并建立流体型槽界面剪切力-速度拟合模型。研究结果显示:液膜的切向速度远大于径向和轴向速度,三维合成速度分布规律主要由切向速度决定;流场在槽区内近台阶轴向1μm范围内压力梯度发生突变,但非槽区和槽区流场相对独立,非槽区可视为简单Couette流动,槽区为逆压梯度Couette流动;流-固界面粘附剪切应力的大小与液膜边界速度滑移密切相关,槽区界面剪切应力变小时,边界滑移速度和槽内外流场各方向速度均变大,且转速越高,数值越大;在不高于10000 r/min时,空化效应对整体平均速度场的影响较小,但速度更高时,需量化空化效应,并对剪切应力-速度拟合模型进行修正。

欧姆加热纳米流体中具有热跳现象移动表面的Falkner-Skan流分析

边界层假设下的Falkner-Skan流分析因其在渗流、导热垫、热交换器、油层检测和地热分析等许多工业领域和过程中的广泛应用引起了越来越多的关注。本文主要研究了氧化石墨烯-水纳米流体的Falkner-Skan磁楔流。通过对驻点附近进行分析,研究了可拉伸壁面的速度和热滑现象,以及黏性耗散和欧姆加热对热传输的影响。利用同伦算法说明了相关参数与速度和热传输机理的关系,阐述了Nusselt数和表面摩擦因数的影响。结果表明:温度随着Brinkman数的增长而升高,进一步的热跳则使温度场减小;Hartmann数的增加使热场厚度增大,动量谱厚度减小。该研究对医疗、高温设施、热交换器和机械结构有极大意义。

超疏水管束流动传热数值分析

为了研究超疏水表面的滑移特征对散热器管束的流动减阻及传热强化的影响,针对层流状态下滑移边界条件对二维圆柱表面的流动及传热特性影响进行了数值分析。基于ANSYS FLUENT18.0软件,利用有限元方法计算了雷诺数Re=120时,不同滑移长度下横掠二维圆柱的流场及温度场。圆柱表面采用了Navier模型来表征超疏水滑移现象。计算结果表明:圆柱表面综合传热性能是随着滑移长度增加而呈线性增加的趋势,而圆柱表面综合摩擦阻力是随着滑移长度增加而呈线性减小的趋势;圆柱表面附近速度边界层厚度是随着滑移长度增加而逐渐变薄,明显变薄的发生区域是在圆柱前驻点附近;圆柱表面局部摩擦性能是随着滑移长度的增加而在前驻点区域减小明显,在后驻点区域变化不明显,这也导致了相似的圆柱表面局部传热性能的变化。上述流动传热特性结果将为高效-紧凑型散热器的研究提供参考。

不同含量的固体颗粒对喷嘴内空化流动特殊演化影响的研究

本文研究了不同含量的固体颗粒对喷嘴内空化流动特殊演化的影响。固体颗粒含量从1%变至6%,平均粒径从0.0015 mm增加至0.070 mm。修正适用于清水介质空化流动的Schnerr-Sauer空化模型用于含固体颗粒空化流动的数值模拟。结果表明:含固体颗粒空化流动的含汽量高于清水介质空化流动下的。不同含量的固体颗粒促进空化流动的演化。随着固体颗粒含量的增加,平均粒径的促进范围逐渐变小。研究含固体颗粒空化流动的流动参数与作用于固体颗粒上的力用于揭示机理。最大滑移速度与最小滑移速度的绝对值均高于清水介质空化流动下的。最大与最小湍动能均高于清水介质空化流动下的。含固体颗粒空化流动的混合动能高于清水介质空化流动下的。它们是降低压力促进空化流动发展的主导影响因素。计算所得的萨夫曼升力的量级是10^(−2),对空化流动的影响相对较弱,是次要影响因素。这些因素共同作用,促进喷嘴内含固体颗粒空化流动的特殊发展。

页岩气纳米孔气体传输模型

页岩气纳米孔气体传输模型是准确进行页岩气数值模拟的基础,对页岩气经济开发具有重要的意义。页岩气纳米孔气体传输机理包括纳米孔体相气体传输和吸附气表面扩散,而纳米孔体相气体传输机理包括连续流动、滑脱流动和努森扩散。基于滑脱流动和努森扩散两种传输机理,分别以分子之间碰撞频率和分子与孔隙壁面碰撞频率占总碰撞频率的比值作为滑脱流动和努森扩散的权重因子,将这两种传输机理叠加,建立了纳米孔体相气体传输模型。基于Hwang模型,考虑高压条件下吸附气覆盖度的影响,建立了纳米孔吸附气表面扩散模型。结合纳米孔体相气体传输和吸附气表面扩散模型,建立了页岩气纳米孔气体传输模型,并采用分子模拟和实验数据进行了验证。结果表明:1滑脱流动、努森扩散和表面扩散对气体传输的贡献是此消彼长的,其主要受孔隙尺度和压力的支配。2滑脱流动在介、宏孔(半径>2nm)和高压条件下,对气体传输贡献大;在微孔(半径≤2 nm)和低压条件下,其贡献小,可忽略。3努森扩散在宏孔(半径>50nm)和低压条件下,对气体传输贡献不可忽略,在其他条件下均可忽略。4表面扩散在微孔(半径≤2nm)和全压力范围内,总是主宰了气体传输;当孔隙半径>25nm和压力高于1 MPa时,表面扩散贡献可忽略;当孔隙半径在2~25nm和压力低于5 MPa时,表面扩散贡献较高,不能忽略。

聚合物微挤出成型过程流动的均匀性

微挤出模具内聚合物熔体流动的均匀性直接决定着制品的成型质量,是挤出模具设计的基础。根据聚合物流变测试理论,基于Kelvin-Voigt本构方程,建立了相对微尺度黏度模型;基于Navier滑移定律,建立了壁面滑移模型;以双腔微管的挤出流动为例,研究了模具流道主要结构参数对挤出流动均匀性的影响,结果表明,各参数对流动均匀性影响的显著程度由强到弱的顺序依次是分流角、内筋定型段长度、压缩角和压缩比。根据确定的最佳流道结构参数,设计制造了双腔微管挤出模具,挤出实验结果验证了该方法的正确性和有效性。