浮升力对竖直螺旋管中超临界CO_(2)换热的影响及判别准则

基于航空发动机间冷器的冷却换热问题,进行竖直螺旋管内超临界压力CO_(2)换热数值研究。探究运行参数对沿流向和周向换热的影响机制。通过管截面温度场和流场分布阐述了浮升力和离心力引起的周向非均匀换热机制,评估二次流速度和强度。根据管道结构特性提出新的浮升力参数和浮升力影响判别准则,建立新的换热关联式。结果表明:管上游非均匀换热源于浮升力与离心力综合作用,管下游非均匀换热由离心力主导。当满足浮升力因子B_(u)≥1.6×10^(-5)时,浮升力在换热中起主导作用。新换热关联式可以较好地适用于螺旋管内换热预测。

横流向热浮升力对并列双圆柱流致振动的影响

采用浸入边界法对横流向热浮升力作用下并列双圆柱的流致振动进行数值模拟研究。详细总结了理查森数Ri=3条件下并列双圆柱的最大振幅、时均位移、升阻力系数、频率特性和尾流模式等随间距比及折合流速的变化规律。研究发现:在横流向热浮升力作用下,并列双圆柱振幅和升、阻力系数呈现不对称特点,振动响应除出现涡激振动外,在更高折合流速下出现驰振;圆柱振动平衡位置相对其初始位置均发生与热浮升力反向的偏移,偏移量随折合流速增大而增加;在涡振阶段,并列双圆柱尾流场表现出稳定的宽窄尾流模式,两个圆柱的泄涡基本保持反相同步;在驰振阶段,尾流场表现为同相同步模式,圆柱的振动响应出现了倍频锁定现象。

带浮升力垫片的指式封严浮升力特性的数值研究

对带直板式浮升力垫片的指式封严的浮升力特性进行数值分析,探讨转子表面线速度、封严间隙和进出口压差对浮升力垫片下表面的压力分布及浮升力和浮升力系数的影响。研究的封严结构由两层封严片(每层周向有72个指)组成,计算时将包含一个完整的浮升力垫片和其相邻间隙的三维扇区模型作为计算域,并将封严片组处理为多孔介质。研究结果表明:进出口压差越大,浮升力越大;浮升力随封严间隙的增大而减小;转子表面线速度增大,浮升力缓慢增大;浮升力系数随进出口压差的增大而减小;浮升力系数随封严间隙的增大而减小;转子表面线速度增大,浮升力系数减小,封严间隙越小这种趋势越明显。

带浮升力垫片的指式封严泄漏特性数值分析

对带浮升力垫片的指式封严的泄漏特性和浮升力进行了数值模拟,计算中将封严片组处理为多孔介质,将浮升力垫片与转子跑道之间的间隙固定于某一数值,暂没考虑流动和固体变形的耦合过程。结果表明:封严间隙是影响泄漏的首要因素;增加高压封严片层数对泄漏量有一定影响;单纯的转子线速度变化对泄漏量几乎无影响;封严间隙一定时,压差越大,浮升力垫片所受浮升力越大;压差一定时,封严间隙越小,浮升力垫片所受浮升力越大;浮升力垫片所受浮升力随转子线速度的增大而减小。

超临界CO_2水平管内浮升力和热加速效应评判准则

针对超临界CO_2流体特殊的热物性所导致的奇异流动传热规律,开展了2mm内径的水平光滑圆管的传热试验研究。试验压力为7.4~8MPa,质量流速为600~1 000kg/(m^2·s),最大热流密度为94.2kW/m^2。试验获得了壁温和传热系数的变化规律,分析了不同的试验工况下无量纲浮升力和热加速的变化规律。结果表明:流体的传热系数峰值随热流密度升高逐渐向入口移动;不同无量纲浮升力的变化趋势存在较大的偏差,Kim的浮升力公式可较好地评判浮升力的大小;热加速效应在低热流密度下不显著,在高热流密度下呈现先递增后递减的趋势;当浮升力因子小于5.6×10^(-7)和热加速因子小于0.000 5时,浮升力效应和热加速效应可忽略。将浮升力和热加速因子引入新的Nusselt预测关联式,其平均误差为-2.92%,均方根误差为10.96%。

浮升力对水平管内超临界航空煤油传热影响数值研究

对超临界RP-3航空煤油在内径为10mm、长度为8 000mm的水平圆管内的流动与传热特性进行了数值模拟研究,重点考察了超临界航空煤油在拟临界区热物性的奇异变化对水平管内传热的影响.通过与实验数据的对比,验证了计算模型的可靠性;根据近壁区流体状态将整个换热过程分成4个阶段,并利用截面中垂线上的密度分布和二次流速度定性分析了二次流沿管轴向的变化规律,以解释壁温异常分布的机理;引入截面相对横向动能对二次流的强度进行描述,讨论了质量流速及热流密度对二次流和壁温分布的影响规律;最后,分析了浮升力影响判别准则在水平管超临界航空煤油对流换热中的适用性.计算结果表明,二次流的演变规律能合理地解释水平管内超临界RP-3航空煤油的非均匀传热机理.

轴向旋转通道内浮升力对湍流影响的直接模拟

采用直接数值模拟方法对绕截面中心轴旋转的方通道内的充分发展湍流进行了数值模拟,湍流雷诺数和普朗特数分别为400和0.71.为了分析浮升力对流体运动的影响,给出了不同格拉晓芙数Gr下的主流平均速度场、温度场、二次流、湍流强度、雷诺应力等湍流统计量的分布情况,并对旋转效应的稳定与否以及由此对湍流统计量的影响进行了分析.结果表明:旋转效应稳定的区域湍流受到抑制,旋转效应不稳定的区域湍流增强,随Gr的增加旋转效应稳定性变得更加复杂;浮升力对流场和温度场有明显的影响,随Gr的增加影响更加明显.

浮升力对T型管道内冷热流体混合过程热波动的影响

利用Fluent软件对T型管道内冷热流体混合过程进行了大涡模拟,考虑了温差引起的浮升力,获得了混合过程的瞬时温度和瞬时速度,通过定义时均值和均方根值来描述温度和速度的平均大小和波动程度。数值模拟结果表明,理查德森数对冷热流体的混合有着重要的影响:当理查德森数为负值且绝对值越大,则温度和速度的波动也就越大;相反,当理查德森数为正值且值越大,则温度和速度的波动反而越小。研究为减小T型结构管内流体混合的热波动而对管内的冷热流体的合理布置提供了理论依据。

浮升力在竖直通道湍流中的作用

采用直接数值模拟方法研究了在不同湍流引发机制作用下竖直槽道湍流中统计量的变化以及湍流结构的变化,分别给出了强迫对流、混合对流和自然对流湍流时平均速度、平均温度、湍流脉动强度、雷诺切应力的统计结果以及湍流结构.结果表明:与强迫对流时相比,混合对流时浮升力作用使高温侧的平均速度升高,速度脉动强度降低,而低温侧的平均速度降低,速度脉动强度升高;浮升力使温度脉动强度在壁面附近区域显著增强,而在通道中心区域变弱.与强迫对流和混合对流的情况相比,自然对流的平均速度分布关于通道中心线反对称,通道中间区域的速度脉动强度最大,温度脉动强度则最小;雷诺应力最大值出现在通道中心区域,而负的雷诺应力产生在壁面附近.

浮升力对盘缘篦齿封严性能的影响

基于Boussinesq近似,对准三维盘缘篦齿进行数值模拟,求解温度场和速度场,研究次流通道流体的流动和换热特性,分析浮升力对盘缘篦齿封严性能的影响。结果表明:重力场引起的浮升力对封严效果基本无影响,而离心浮升力对旋转件附面层流体有一个径向的驱动作用,使得次流通道流动阻力增大,篦齿封严性能变好;在有热边界的情况下,离心浮升力对泄漏系数的影响与次流格拉晓夫数有关;随着壁温和转速的增加,离心浮升力对于提高封严篦齿性能的作用增大;随着轴向间隙的增大,泄漏系数增大,且离心浮升力降低篦齿泄漏系数的作用随轴向间隙的增大而减小。

超声波作用下具有中性浮升力的微粒凝聚分离

针对超声波作用下悬浮液中具有中性浮升力的微小颗粒 (以下简称微粒 )凝聚分离过程中凝聚过程参数以及声学参数对凝聚过程参数的影响进行了分析研究。同时 ,利用数值模拟预测了微粒的凝聚过程参数 ,并且与解析解进行了比较 ,表明数值计算可靠 ,并且需要作为解析解的补充。

混合对流条件下浮升力对环形通道中流动及传热的影响

讨论了混合对流条件下环形通道中浮升力对流动及传热的影响。实验时用 LDA测量了水向下流过竖直环形通道时的平均流速和湍流强度。对于逆浮升力方向的流动情况 ,湍流速度脉动和湍流剪切应力都因浮升力的影响而增加 ,从而传热得到了增强。当浮升力的影响特别大时 ,靠近环形内壁的流动出现反向流 ,在这种情况下即使流动在无浮升力影响时是层流 ,湍流也会由于浮升力的存在而产生 。

自然对流气体的摆特性与浮升力

发现了密闭腔中自然对流气体有摆现象。论证了自然对流气体的浮升力及其与温度变化的关系,指出利用在浮升力作用下自然对流气体的摆特性能敏感加速度和倾角。

飞艇浮升力随高度变化规律的研究

针对软式飞艇,在确定压力高度和囊体体积的条件下,对其所受的浮升力随高度变化规律进行了理论分析和仿真计算,给出了飞艇囊体体积设计、压力高度的确定与总浮升力和静浮升力各参数之间的数值变化关系,为飞艇的总体设计提供了理论基础。

浮升力对旋转U型通道流动与换热影响的数值研究

为研究浮升力对高旋转数（0~2.013）U型通道流动与换热的影响,采用k-ωSST两方程模型对其展开数值研究。分别对相同旋转数,不同温比（0.12,0.17和0.22）和相同温比（0.22）,不同旋转数条件下的U型通道进行研究。结果表明：在径向外流直通道中,浮升力诱发通道前缘面发生流动分离,前缘面的换热能力随旋转数的增大先减小而后增大;在径向内流直通道中,受浮升力影响流体呈双峰流型。随旋转数增大,前后缘面间Nu/Nus的差别减小,当旋转数增大到1.0左右时,后缘面的Nu/Nus的值超越前缘面。在静止通道内,温比越小换热能力越强;旋转通道与之相反。计算结果验证了浮力数在评价壁面换热能力的变化时,综合考虑了旋转数和温比对壁面换热的影响。

强浮升力作用下超临界流体对流换热的湍流模型研究

针对湍流模型中浮升力相关项的模型进行了比较分析,在此基础上进行了一系列修正;最后,分别使用修正的模型和传统模型计算了超临界压力下的对流传热,并将计算结果与实验数据进行了比较。结果表明,修正的湍流模型能比较准确地模拟浮升力项,从而使计算得到的壁温与实验数据、DNS数据符合较好;而传统模型计算得到的壁温比实验数据、DNS数据高得多。

超临界压力下浮升力对航空煤油流动换热影响

通过RNG两方程模型结合增强壁面处理法的数值方法,研究了不同重力加速度下,浮升力对超临界压力下水平圆管内RP-3煤油流动换热的影响。建立、验证了计算模型;分析了RP-3煤油在拟临界区热物性变化,并对流动换热受浮升力影响判别准则的适用性进行了比较分析。结果表明:在拟临界温度附近煤油热物性的剧烈变化导致的浮升力作用下,水平圆管内产生较强的二次流动;二次流动减弱上壁对流换热,增强下壁对流换热,增大下壁摩擦阻力,减小上壁摩擦阻力,流动压力损失略有增大;随着重力加速度的增大,浮升力对换热和流动的影响更加显著;最后分析得出Protopopov准则能较好地描述浮升力对超临界压力煤油换热的影响规律和程度。

浮升力和流动加速对超临界CO2管内流动传热影响

基于单相流体的概念,超临界流体的异常传热行为已经被研究很多年了,但是关于其流动传热机理仍没有统一的认识.本文通过理论分析和实验研究了超临界二氧化碳在竖直管内向上流动过程中,浮升力和流动加速效应对其流动结构和传热过程的影响.结果表明,没有确凿的实验证据表明超临界流体的异常传热行为是浮升力和流动加速直接导致的,存在的估计浮升力和流动加速效应准则均是在常物性流体的基础上,做了大量假设得出的,不同的研究者采用浮升力和流动加速准则分析超临界流体的传热恶化得出的结论不一致.最后,基于拟沸腾理论分析超临界流体的传热恶化过程,提出超临界沸腾数区分了超临界流体正常传热与恶化传热的转换边界,为超临界流体流动传热研究提供新思路,超临界沸腾数对建立用于不同技术的超临界流体动力循环的最佳运行条件具有重要意义.

浮升力对竖直上升圆管内超临界航空煤油换热的影响及评价准则

为深入理解航空发动机再生冷却热防护中的换热机理,对竖直上升圆管内超临界压力RP-3航空煤油的传热恶化开展了实验研究。探究了两类传热恶化的换热特征和形成机理,考察了热流密度、质量流量和进口压力对传热恶化的影响机制。获得了两类传热恶化的起始条件判别准则。以Nu/Nu0=0.75作为依据,建立了浮升力影响评价准则。通过格拉晓夫数修正实现了换热关联式预测。结果表明:两类传热恶化出现在不同条件下,低温区传热恶化源于边界层转捩和浮升力的综合作用,当进口雷诺数大于5730时其不再出现;高温区传热恶化的临界热流密度可以表述为质量流量的函数关系。当浮升力参数Grb/Re2.7和Gr/Re2分别大于10-7和10-3时,浮升力作用不可忽略。改进的换热关联式具有合理的预测精度,满足热防护系统设计的工程运用。

考虑浮升力影响的矩形通道内航空煤油流动换热数值研究

为了考察浮升力对再生冷却矩形通道内煤油流动换热的影响,通过施加过载来模拟浮升力效应,采用数值方法研究了RP-3航空煤油在矩形通道内的流动与换热特性,引入了二次流速度参数分析二次流的变化规律。结果表明:随着过载的增加,浮升力效应更加明显,通道内二次流速度增大;燃烧室上壁面和两侧壁面冷却通道最高壁温均减小4.5%以上,传热恶化现象得到明显改善,但下壁面冷却通道最高壁温略有提高。