多孔壁面管强化大容积沸腾换热特性研究

针对非能动余热换热器大容积沸腾换热工况,采用高温饱和蒸汽作为加热热源,对机械加工多孔壁面管和光管的大容积沸腾换热特性进行实验研究。结果表明,多孔壁面管对大容积沸腾换热具有很好的强化能力,多孔壁面管可使沸腾换热系数较光管提高68%~75%,壁面过热度降低约1.5℃;受管外沸腾和管内凝结之间传热耦合的影响,换热管轴向壁面温度表现出特定的分布特征。在实验研究的基础上,对多孔壁面管强化沸腾换热的机理进行了分析。

多孔介质传热模型在多孔壁湍流中的适用性

为了考查不同的多孔介质传热模型在不同工况下的适用性,对带有高孔隙率多孔介质壁面槽道湍流及其传热进行了直接数值模拟研究。在多孔介质层外流体区域,通过有限差分方法求解不可压缩Navier-Stokes方程和温度对流扩散方程;在多孔介质层内,使用修正的Darcy-Brinkman-Forchheimer模型描述高孔隙率多孔介质阻力,以及分别采用局部热平衡(local thermal equilibrium,LTE)模型、局部非热平衡(local thermal non-equilibrium,LTNE)模型、理想金属(ideal metal foams,IMF)模型计算温度分布。通过对所得热场的统计特性的分析比较,探究了不同Biot数下水和空气两类流体介质的多孔介质传热模型的有效性。研究表明:LTE模型不足以准确预测金属泡沫多孔介质内传热问题,其等效导热系数因仅考虑孔隙率因素而低估了多孔介质层的传热能力;IMF模型在小比热容流体介质的算例中表现良好,可以代替LTNE描述多孔介质层内的传热,而在大比热容流体介质的算例中表现不佳,需要考虑比热容以及流固两相间的传热能力对预估的固体相温度分布进行修正。

沿多孔壁面流动的液膜线性稳定性分析

针对沿多孔壁面流动的牛顿流体液膜进行线性稳定性分析,特别考虑中等雷诺数的情形。认为多孔壁面处的流动满足Beavers-Joseph滑移边界条件,采用动量积分方法,得到色散关系和中性稳定曲线。多孔壁面的渗透性促进了液膜流动的不稳定,加快了液膜表面波的移动。随着雷诺数增大,中等雷诺数范围的最大增长率呈现先增大后减小趋势。最大增长率极值和不稳定波数区域与壁面渗透性有关。通过能量分析探究多孔介质渗透性对流动稳定性的作用机理,多孔壁面滑移速度的存在使得平均流速增大,速度梯度减小,导致黏性耗散减小从而促进流动失稳。

交叉耦合及壁面多孔效应对室内VOCs传热传质的影响

交叉耦合扩散效应及室内壁面对材料内部的VOCs在多物理场环境中的传热传质有很大影响;采用有限元法进行求解,分析了在温度梯度、水蒸气湿度梯度及VOCs浓度梯度共存时,多孔壁面达西数、综合浮力比、热附加扩散效应准则数和质附加扩散效应准则数对室内壁面中VOCs传热传质的直接影响。正确掌握这些影响规律对改善室内空气品质,营造一个真正舒适的室内环境有重大的意义,研究结果可以为对实际工程提供必要的理论依据。

多孔介质表面火焰的燃烧特性

为优化设计基于多孔介质壁面的低热损失微燃烧器,以甲烷/空气预混气为燃料,对多孔介质表面平面火焰形成特性进行实验研究。试验表明:在一定燃料当量比和流量范围内,多孔介质表面能够形成稳定的平面火焰。在燃料当量比小于1时,平面火焰极限范围随当量比增加而增加,过高的预混气流量时会引起平面火焰面不稳定、破裂和火焰厚度增加。形成平面火焰时,随预混气流量和当量比增加,火焰温度升高,火焰高度降低,火焰面更贴近壁面。同当量比下,预混流量越大多孔进气壁面温度越低。该火焰和壁面温度特性适合在微小空间内组织稳定燃烧。

预混气温度及多孔材料特性对多孔介质表面火焰的影响

为优化设计基于多孔介质壁面的低热损失微燃烧器结构,以甲烷/空气为预混气实验考察了预混气初始温度多孔壁面材料对多孔介质平面火焰形成、燃烧特性的影响。实验表明:在低当量比工况下(≤0.8)由于预混气初始温度升高可以有效降低多孔板对火焰的影响(热损失),可以有效地拓宽平面火焰形成范围。当量比较大时(>0.8),由于甲烷在多孔板内部消耗,多孔表面火焰温度反而下降。不同材料的多孔板对火焰的影响主要由于导热系数差异引起,而且在火焰温度较低的时候明显。当火焰温度较高时几乎没影响。导热系数越小,多孔介质壁面温度越低。

多孔介质表面火焰最小稳燃空间实验研究

为考察以多孔介质壁面为进气壁面的微燃烧器的最小稳燃空间，该文以多孔介质表面平面火焰为对象，以甲烷／空气预混气为燃料进行点火及熄火实验研究。实验中采用与多孔介质表面平行的可控温铜板来模拟燃烧室壁面，详细考察了不同燃料当量比和预混气流速时，铜板壁面温度对点火距离和熄火距离的影响。实验结果表明：当量比处于0．9～1．0之间最容易点火；在相同的当量比下，随着预混气流速的增大，点火距离先逐步减小后增大。随着平板壁面温度的提高，点火距离和熄火距离同时减小，分析认为，热熄火是其熄火的主要因素。

多孔壁面对高速边界层最优增长条带二次失稳的影响规律

边界层转捩是高超声速飞行器设计中的关键基础理论问题。当环境扰动强度较高时,将在模态扰动失稳区上游发生由最优增长条带二次失稳触发的亚临界转捩。为评估多孔壁面在亚临界转捩中的控制效果,以超/高超声速平板边界层流动为研究对象,建立了基于伴随抛物化稳定性方程的优化系统与求解方法。以最优扰动非线性演化形成的三维条带边界层为新的基本流动开展全局稳定性分析,研究表明:多孔壁面对第一模态频率范围内的二次失稳扰动为促进作用,对第二模态频率范围内的二次失稳扰动起抑制作用,并且转折频率接近局部快/慢模态的同步频率,对于工程应用中多孔涂层的布置方案具有一定的指导意义。

平面火焰微燃烧器及其温差热电转换系统

提出了一种厘米级别的平面火焰微燃烧器及其温差热电转换系统原理,即燃料氧化剂混合气相向穿过两块平行布置烧结多孔平板并在其表面形成稳定的火焰,实现燃烧器壁面温度远低于火焰温度的目的;进行燃烧器和微发电系统原型性能实验.在燃烧器烟气通道外壁面布置高导热系数薄匀热片能够有效改善热电模块热端温度场均匀性,从而提高系统安全性和输出性能.在燃烧燃料当量比(甲烷/空气)φ=0.6时,火焰温度高于800℃,壁面温度低于200℃,水冷条件下,商用碲化铋(Bi2Te3)热电模块热端150℃,系统可以获得8 V开路电压和1 W以上稳定输出功率,系统综合效率达1.6%.

发汗冷却喷管多孔壁面的分段设计分析

对于采用烧结多孔结构作为发汗冷却壁面的喷管,为最大限度的减少冷却剂流量,提出了对多孔介质壁面沿轴向进行分段的发汗冷却结构.通过采用Fluent软件对分4段结构的多孔壁面推力室发汗冷却进行数值模拟并且与不分段的发汗冷却喷管比较发现,分4段的结构在满足室壁温冷却要求的前提下可将冷却剂与主气流量百分比从28.3%降至12.6%,这表明烧结多孔结构分段设计是减少喷管发汗冷却剂流量的有效手段.

多孔空腔结构对亚音速喷流噪声影响的研究

本文实验研究亚音速圆口喷流噪声的一种被动控制方法。将喷管内壁改造成多孔板与后方容腔组合的结构,研究这种被动措施对声源流场与辐射声场的影响。设计制作了多种"多孔内壁+空腔的组合延伸构件,与不包括这种多孔处理的基础喷管相比较,在喷流出口马赫数同为Ma=0.5的情况下,分析了这些"多孔内壁+空腔"延伸构件的孔径D、孔深H以及空腔厚度T对喷流远声场的影响与变化趋势,为采用这种方法控制喷流噪声的实际应用提供了初步的依据。

壁面抽吸条件下的爆震波传播特性

为研究静止气中壁面抽吸对爆震波传播特性的影响,采用数值模拟方法研究了多孔抽吸壁面条件下爆震波的流场结构、传播速度等特性的变化规律。结果表明多孔抽吸壁面对爆震波传播特性有两方面的影响。首先,流场与多孔壁面发生碰撞产生弧形激波,弧形激波对爆震波的横波结构造成直接破坏,导致靠近多孔壁面区域的爆震波产生明显的速度亏损,爆震波强度削弱甚至熄爆;其次,多孔壁面作用导致了流场不稳定性增强,流场与孔板碰撞产生高温高压点,对爆震波的传播有促进作用,尤其在临界条件下,可能导致爆震波熄爆后重新起爆。在保持抽吸压力和边界条件不变情况下,对不同活性及不同抽吸距离时的爆震波传播特性进行研究,发现预混气活性降低、抽吸距离增长时,爆震波结构和传播速度受壁面抽吸影响增强。在加长抽吸距离条件下,随着预混气活性的降低,存在3种爆震波传播现象,即自持传播、熄爆后重新起爆以及完全熄爆。将相应工况下的实验研究与数值模拟结果进行对比,验证了数值模拟结果的正确性。