A Laboratory Modeling of the Velocity Field in the Convective Boundary Layer with the Particle Image Velocimetry Technique

Based on the research of the convective boundary layer (CBL) temperature field in a convective tank, this paper studies the characteristics of the CBL velocity field in the convective tank. Aluminium powder (400 orders) is used as a tracer particle in the application of the particle image velocimetry (PIV) technique. The experiment demonstrates: the velocity distribution in the mixed layer clearly possesses the characteristics of CBL thermals; the velocity distribution in the top zone of the mixed layer shows entrainment layer characteristics; the vertical distribution of turbulent characteristic variables is reasonable, which is similar to field observations and other tank results; the error analysis demonstrates the validity of aluminium powder, which implies the reliability of the results.

室内空气自然对流换热的数值模拟研究

应用PHOENICS软件对自然对流换热条件下室内空气温度场和速度场进行了数值模拟 ,并对温度场的模拟结果进行了实验验证。结果表明 。

对流水槽温度场和速度场的测量

根据室内模拟大气边界层的需要,开发了适合于水中温度场和速度场测量的快速响应设备。采用铂电阻传感器多探头测量温度场,速度场采用片光源流动显示及PTV数据处理技术。温度和速度测量设备响应快,分辨率高,为室内模拟研究提供了可靠的实验手段。文中分析了温度和速度测量的系统误差和偶然误差,并提出了速度测量改进方法。

层流场协同方程的验证及其性质

在粘性耗散一定的条件下,以热量传递势容耗散取得极值为优化目标,利用变分方法可以导出稳态层流对流换热的场协同方程。场协同方程的意义在于能够求解一定边界条件所对应的最佳速度场,从而实现最优的传热效果。本文采用二维方腔内空气的层流对流换热模型,通过将最佳速度场与其它流场的换热结果进行比较,初步验证了场协同方程的正确性,并对场协同方程的优化过程和原理进行了深入的分析。

黏弹性聚合物溶液在油藏盲端孔隙中的流动特性

采用上随体Maxwell本构方程,描述油藏条件下以第一法向应力差为主要特征的聚合物溶液的流变性,对黏弹性聚合物溶液在油藏盲端孔隙中的流动特性进行数值模拟,从理论上探讨在低雷诺数流动条件下聚合物溶液的黏弹性和盲端几何形状、倾角对孔隙盲端内速度场、应力场及压力场的影响规律。研究结果表明,油藏盲端孔隙中流体的流速随威森博格数的增大而增加,随盲端倾角的增加而减小;油藏盲端应力场随倾角的变化规律与速度场的相似,而在油藏盲端与主流道相交处,应力场随倾角的变化规律则与速度场的不同,其值随倾角的增大而增加;压力波动影响区的范围与流体的弹性变形能力密切相关(其弹性变形主要发生在盲端与孔隙的相交处),其范围随着流体黏弹性的增加不断扩大。流体的黏弹性越大,盲端内的流速和应力就越大,盲端内的压力波动也越显著。

微重力下静态磁场对浮区法硅单晶生长的影响

考虑晶体生长界面的变形,利用有限体积方法对侧面加热的空间全浮区法硅单晶生长中熔区内的热质传输、流场及晶体生长界面位置和形态特征进行了数值研究。应用不同中等强度的轴向磁场和勾型磁场对硅熔体内的热毛细对流进行抑制。分析了静态磁场不同强度下熔区中的对流模式,研究表明,轴向和勾型磁场均能有效抑制熔体内的对流,并将热毛细对流挤压到自由表面附近。轴向磁场可有效抑制熔体的径向流动,但难以有效抑制轴向对流;勾型磁场则可以达到更好的控制熔体对流的效果。对不同强度下的固液面形态及位置分析发现:轴向磁场下固液面基本和无磁场时的重合,但磁场强度较小时固液面在自由表面边缘处向单晶侧有个凸起;勾型磁场作用下的固液面比较平滑,其中心区域较无磁场时整体向z轴正向偏移。研究结果可对浮区法晶体生长中获得高质量晶体提供帮助。

粒径对块石层自然对流特性影响的试验研究

用粒径为5～8,8～15和15～20 cm的3种块石分别填筑成块石层模型,在实验室内研究它们的空气自然对流特性。结果表明,在块石层模型下表面保持20℃而上表面从20℃降至-20℃的过程中,模型内均产生了Benard流,而且模型内空气自然对流的强弱与块石的粒径有关,粒径为15～20 cm的块石层模型内气流速度最大,约为2.2 m.s-1;粒径为8～15 cm的最小,约为1.5 m.s-1,这种变化主要是由块石层内热弥散效应以及块石与空气间接触面积的改变而引起的。控温方式对空气自然对流影响的研究表明,由模型上表面降温所产生的空气自然对流效应强于在块石层模型下表面升温,故在实际工程中,冬季块石层内的空气自然对流更易于发生。针对模型内空气流速计算值均比实测值小的问题,建议在进行多孔块石结构对流换热理论计算时,应考虑块石层模型的假设条件、热弥散作用、流动惯性以及空气热物性随压力的变化等的影响。

地幔对流的数值模拟及其与表面观测的关系

本文从基本的热对流方程出发,并结合地幔对流特点,特别考虑到自重及非线性影响,探讨地幔对流及其与表面观测的关系,发展了相应的数值方法.结果表明,计算得到的长波大地水准面、地表地形、板块速度场水平散度与观测值符合程度较好.上、下地幔的非绝热温度异常与由地震层析得到的地震波速异常显示一定的相关性.地幔内部的流动呈现复杂形态,反映了高瑞利数对流的特征.

路堤块石自然对流特性的室内试验研究

通过室内试验,对青藏铁路路堤块石自然对流过程中风速场和温度场特性及其变化规律进行研究。结果表明:在初始控温一段时间后,风速场趋于稳定,对流涡包由无序状态逐渐发展为单胞状态;降温过程中,块石层内温度场的变化较规律,尽管对流涡包形状和大小稍有变化,但一直处于单胞状态,对流中心位于块石层中部;尽管温度场变化会引起风速场变化,但当温差达到一定值后,虽继续增大,最大风速基本不再变化,且仍位于块石层中部;自然调温过程中,由于产生热交换,块石层内温度场发生较大变化,块石层内整体温度升高,且温度场变化较混乱,风速场极不稳定,对流涡包由较为规则的单胞状态,逐渐进入无序状态。

勾形磁场作用下分离结晶中熔体热毛细对流的数值模拟

为了更好地了解勾形磁场对分离结晶法制备CdZnTe晶体过程中熔体热毛细对流的影响,采用有限差分法对熔体内的热量和动量传递进行数值模拟。假定熔体为不可压缩牛顿流体,熔体的高径比为1,狭缝自由表面无因次宽度为0.1,研究了不同Ma数下,Ha数分别为0、45、90、135时的CdZnTe晶体生长过程。结果表明,勾形磁场能够有效地抑制熔体内部的对流,并且随着磁场强度的增加,抑制作用增强,熔体内部流动减弱。

轴向磁场下分离结晶熔体内热毛细对流的数值模拟

为研究轴向磁场对分离结晶Bridgman法生长CdZnTe晶体熔体热毛细对流的影响,采用有限差分法进行了三维数值模拟。结果表明轴向磁场能有效抑制熔体内的热毛细对流;轴向磁场对熔体内部温度分布也有较大的影响,能使等温线分布变得平缓;当磁场强度不变时,随着狭缝宽度的增大熔体内部的流动减弱。

热毛细对流温度场全息干涉检测研究

本文采用 Hele- Shaw盒体 ,在地面上模拟二维热毛细对流 ,应用全息干涉技术对热毛细对流温度场进行了测试研究 .为了获得感兴趣的热毛细对流温度增量分布 。

地震波速度约束的大横向黏度变化的地幔对流研究

本文将横向黏度变化提高到3个量级,获得了地震波速度结构约束下的大横向黏度变化的地幔浅部的极型场和环型场对流图像.与小横向黏度变化下的结果相比,本文的结果具有显著的改善.对极型场对流图像,主要体现在本文结果能更清楚地解释太平洋板块、大洋洲和南美洲以及东太平洋洋中脊处的现今运动状态;对环型场对流图像,能更合理地解释北太平洋板块的右旋运动.本文计算的极型场、环型场对流速率以及揭示的某些区域如欧亚大陆和非洲大陆的运动状态与现今地表板块的运动速率以及欧亚板块和非洲板块的运动状态有明显差异,但相比小横向黏度变化下的结果,有助于更好地认识和理解现今地表板块运动的深部动力学过程.

Rayleigh-Bénard湍流对流实验研究进展

近十年来，人们的注意力集中到关于Ｒｎｙｌｅｉｇｈ－Ｂｅｎａｒｄ硬湍流对流的研究，得到了硬湍流状态下温度场和速度场的主要特征，证实了大尺度环流在热对流中起主导作用等，但对大尺度环流与周围流体及热卷流的相互作用机理还不很清楚，硬湍流是否为Ｒｎｙｌｅｉｇｈ－Ｂｅｎａｒｄ对流的极限状态仍有不同看法，本文将对有关这方面的研究进展作一简要的回顾，并就今后的研究工作发表一些看法．

循环荷载作用下海上风机单桩基础周围砂土沉降与对流特性

将实际海况中的风、浪、流及叶片转动产生的动力荷载简化为作用在模型桩顶部的水平循环荷载,设计了室内概化二维模型试验,研究海上风机单桩基础周围土体的运动特性。采用PIV和PTV技术对振动单桩及其周围土体运动过程进行测量,获得了不同工况下单桩及其周围土体的沉降与对流运动规律。结果表明:桩顶加载频率和位移幅值与土体变形各特征尺度均基本呈线性关系,加载频率和桩顶位移幅值越大,土体变形特征尺度也越大;准平衡时刻沉降坑深度与对流区深度比值范围为0.24~0.34,沉降坑宽度与对流区宽度比值范围为1.47~2.34;桩周砂土颗粒对流运动由桩土相互作用产生的摩擦剪切应力驱动并持续存在,其运动速度量级为10-4 cm/s,一般比桩体振动速度低3个量级。

青藏铁路抛石护坡路基强迫对流特性数值分析

基于多孔介质中流体热对流的连续性方程、非达西流动量方程和能量方程,对强通风条件下青藏铁路典型抛石护坡路基内温度场和流速场的分布形态进行数值研究。研究结果表明,抛石护坡路基对多年冻土保护作用显著,抛石护坡路基的存在使夏季多年冻土上限明显提高,冬季抛石护坡路基下部土体回冻速度较天然地表下部土体更快,由于降温作用主要集中在护坡附近有限范围之内,对路基中部的降温作用相对较弱。整体而言,抛石护坡对冻土路基本体的保护作用有限,从长期降温效果来看,由于全球气候变暖的影响,强通风条件下抛石护坡路基中线以下土体的内部可能产生"似眼球状"融化夹层,不利于路基的稳定。迎风抛石护坡层中空气运动方向大致为沿护坡斜向上,背风抛石护坡层中空气运动方向以从下到上运动为主,抛石层内空气的运动形式为"绕流",抛石层表面空气速度最大,内部较小,空气速度分布区间为1.24×10-3～12.8 m/s,数值结果与现场试验测得的风速区间基本一致。

半浮区液桥热毛细对流速度场特征

液桥流场的速度分布是液桥表面张力梯度驱动对流的一个重要研究内容。通过地面模拟微重力环境的液桥实验以及数值计算,研究了外加温差、液桥腰径等对流场速度分布的影响,实验结果与数值计算结果相当符合。结果还表明,当液桥腰径减小时,流场的结构发生了变化,涡心由一个转化成两个。

勾形磁场对分离结晶法生长CdZnTe晶体过程中液层热毛细-浮力对流的影响

借助数值模拟手段研究了常重力条件下分离结晶法生长Cd Zn Te晶体过程中液层热毛细-浮力对流,探讨了不同勾形磁场强度和狭缝宽度对流动的影响。计算选取液层的高径比A为1,狭缝宽度S分别为0.05、0.075以及0.1,磁场Hartmann数分别为45、90及135。结果表明:勾形磁场能够对液层内热毛细-浮力对流起到抑制的作用,且随着磁场强度的增加,流动失稳的临界Marangoni数增大;随着狭缝宽度S的增大,液层内部流动减弱。

航空发动机涡轮前支承轴承腔油气两相物理场分析

处在航空发动机热区的涡轮前支承轴承腔的油气两相物理场分析是进行二次流及润滑系统设计的重要基础工作。文章结合某型发动机涡轮前轴承腔的结构和工况参数,构建了适用于发动机全运行状态下的轴承腔油气两相物理场理论计算模型,求解获得了轴承腔内油气两相介质流动的物理场。探讨了轴承腔内油气两相流动的速度、压力、温度及壁面油膜厚度在腔内不同位置的分布情况;分析了发动机运行状态对上述物理场的影响规律;与试验数据的比较支持了文中理论分析方法的正确性。提出的轴承腔油气两相物理场分析方法对于航空发动机主轴支承轴承腔的润滑与换热设计具有应用价值。

旋转磁场下辐射加热温度对空间浮区对流的影响

采用全浮区模型数值研究旋转磁场作用下不同辐射加热温度时熔区内热毛细对流流动特性。研究发现,B0=1 m T的旋转磁场产生的洛伦兹力不足以控制熔区中的热毛细对流,熔体内流场呈现周期性旋转振荡特征,振荡频率随辐射温度的增加而减小,并与Ma数成线性关系。当Ma数较小时,温度场主要由扩散作用决定,呈二维轴对称分布;随着Ma数的增加,熔体中的温度场受对流影响,亦呈周期性振荡,且振荡主频与对流振荡主频相同。保持旋转磁场的频率不变,适当增加磁场强度,熔体内的三维振荡流将转变为准二维的旋转轴对称流,热毛细对流关于中截面镜面对称。对于Ma=21.8、32.9和43.7的熔体,分别施加2、3和5 m T的旋转磁场,熔体中的温度及速度波动被有效抑制。