反应器内Taylor涡胞结构的数值研究

采用计算流体力学方法对化学反应器内的Taylor涡胞结构进行了数值模拟,研究了在不同雷诺数Re条件下Taylor涡胞的结构特点及其生长方式受Re的影响规律.研究结果表明,随着Re的增加,Taylor涡胞先从上下两端部产生,并且底部固壁端Taylor涡胞的生成总要先于顶部自由面端部,随后Taylor涡胞由两端逐步向中心生长,直至系统的Re大于临界Re后,整个轴向间隙内均充满Taylor涡胞;轴向Taylor涡胞的强度并不一致,下端部固壁附近Taylor涡胞强于顶部自由面附近的Taylor涡胞,而中心位置的涡胞强度最弱.

反应器内温度梯度对Taylor涡胞结构的影响

采用CFD技术,数值模拟了化学反应器中温度梯度对Taylor涡胞结构的影响特征,研究了径向温度梯度对轴向Taylor涡胞结构、强度及其临界雷诺数Re的影响特点.研究结果表明,径向温度梯度能抑制中部Taylor涡胞形成,致使系统的临界Re增加;随着径向温度梯度的增加,涡量向温度降低的方向迁移,涡量分布的径向梯度也随之增加;端部的Taylor涡胞强度最大,其集中涡量主要分布于内壁面,且有助于促进流体的热传递效果,中部的Taylor涡胞强度较弱,其对促进流体热传递的效果并不明显.

液态金属热对流典型流动结构实验研究

通过搭建长宽高比为1∶1∶2的实验方腔,系统性地研究低普朗特数(0.03)的镓铟锡合金在有/无磁场作用下所产生的热对流结构。实验中上下铜板的温差由2个恒温水浴来实现,通过在铜板上布置测温探头测量温度,在方腔侧壁布置超声波探头实现对液态金属内部速度分布的测量。实验获得了3种典型的流动结构,无磁场环境下液态金属的流动在空间上呈现大尺度环流,靠近冷热端液态金属的温度无序波动,且速度分布符合热湍流的基本特性,为流动结构Ⅰ。当施加水平磁场,磁场极大地抑制对流运动,出现稳定的单涡胞运动结构,即流动结构Ⅱ和振荡的双涡胞运动结构,即流动结构Ⅲ。随后通过对3个不同测量位置的速度分布进行详细分析,深入解析水平磁场存在下的这2种流动结构的典型特征。

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。

封油边形状对流场结构及承载力的影响

为揭示高档数控机床中静压油腔几何形状对承载力的影响,研究了油腔封油边形状对油腔内部流场结构及承载力的影响.模拟封油边高度、长度、角度及微结构等因素对流场中的涡胞结构和承载力的影响.计算结果表明,承载力与入口雷诺数Re、封油边长度成正比;增加封油边高度和微结构将减少承载力;封油边角度对流场涡胞结构影响明显,但对承载力影响微小.该研究对优化高档数控机床静压油腔结构,提高承载力有指导意义.

三维数值模拟内环加热液池内热毛细对流

为了深入理解热毛细对流不稳定性的特征,数值模拟了内环壁加热、外环壁被冷却的硅油环形浅液池内热毛细对流.发现在内外壁间温差相同的情况下,在内壁加热的液层里,流体表面的温度梯度高于外壁加热情况下10%左右;相应地,发生热流体波的临界Marangoni数Ma_c=3.06×10^5（或临界温差ΔTc=4.58K）低于外壁加热情况下的Ma_c=3.34×10^5（或ΔTc=5.0K）.超过临界条件后,内壁加热液池内形成振荡的多涡胞热流体波,它由共存的两组波数相同、频率和振幅相同、沿周向传播方向相反、沿径向凹向高温壁传播的、弯曲螺旋状的热流体波组成,并相互干涉形成点状波纹.

微凹槽内液滴流场特性的Micro-PIV实验研究

液滴已成为微流控技术的重要研究内容。为了精确调控液滴内的微环境,利用微通道矩形长凹槽生成并封裹液滴,并开展了液滴内部流场特性的显微粒子图像测速(Micro-PIV)实验,研究了雷诺数(Re)对液滴形貌、流场速度矢量场特性和剪应力分布的影响。结果表明,当Re=11.1时,液滴内部出现了一个涡胞结构;当Re=33.3时,液滴中心处的流速达到最大值,约为10μm/s。然而,当Re=44.4时,涡胞消失,平均流速降低。同时,液滴尺寸随Re增加而减小。此外,Re对液滴内部剪应力变化无明显影响,剪应力平均值极低(<1.5×10^-4Pa)。

微流控粒子分选中圆形微凹槽容纳特性研究

微流控技术由于具备操控微通道中微小体积流体的能力,已成为操控粒子和细胞的新平台.基于粒子惯性迁移和微凹槽涡胞捕获的粒子分选方法,是一种重要的微流控粒子操控技术.目前,微凹槽容纳的粒子数量不高,制约了该方法的效率.为了提高微凹槽粒子容量,对圆形微凹槽进行结构设计,并利用高速显微成像技术和数值模拟,研究了不同圆形微凹槽的粒子容纳能力.研究发现,相同入口雷诺数(Re=37~555)下,带底腔的圆形微凹槽相较于普通圆形微凹槽容纳的粒子数量提升了45%,这是因为增加底腔后使得涡流线向下延展,形成更深的“U形”结构,可以容纳更多的粒子;当Re=482时,带底腔的直径500μm的圆凹槽比直径600μm的圆凹槽的粒子容量提高了93.9%,原因是前者凹槽内粒子运动轨道与流线更加吻合,粒子轨道面积与凹槽面积占比达到了97%;随着Re增加,从侧通道收集到的粒子富集浓度整体呈现先缓慢增大后减小的趋势,收集到的20μm粒子的最大富集浓度为初始悬浮液的126.7倍;不同微凹槽内粒子群的轨道运动受到涡流场特性、粒子物性及粒子间相互作用和壁面限制作用等因素的共同影响.研究结果对微凹槽结构设计和提高粒子分选性能有重要指导意义.

圆形静压油腔流场特性的PIV实验与数值模拟研究

利用粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry,PIV)和计算流体动力学(CFD)方法,研究了高档数控机床液体静压支承系统中油腔内部的流场特性,包括入口雷诺数(Re)、油腔深度(H)和封油边间隙(h)对油腔内部流场的涡胞结构、壁面压强及剪应力分布等的影响。研究结果表明:实验结果与数值模拟结果相一致;油腔内部存在复杂的涡胞结构;随Re(70~1400)的增大,涡胞数量由1个增加为3个,涡胞尺寸和位置也不断变化;随着油腔深度H从6mm增大到18mm,涡胞尺寸逐渐增大,但涡胞数量减小;随封油边间隙h的增大,涡胞尺寸明显增大;相同条件下,增大入口雷诺数Re或减小封油边高度h都会增大承载面压强和剪应力。该结论为提高数控机床静压油腔的稳定性和承载力提供理论依据。

圆形Rayleigh台阶腔体流动特性的数值模拟

为了揭示流体流动特性对静压支承油腔承载力的影响,根据圆形Rayleigh台阶腔体流动特性,将流动分为三部分:入口中心对称碰撞流动、凹槽径向发散流动和节流边微流动.采用计算流体力学(CFD)方法建立计算模型,对腔体几何参数(e,h)和入口雷诺数(Re)等因素对流场涡胞的影响进行数值模拟.结果表明:Rayleigh台阶结构腔体内流动较平行圆盘间流动更加复杂,有涡胞结构存在;腔体内压强较高,具有更高的承载力;当200<Re<2 250时,流场中有1至4个不同数量的涡胞存在;随节流边厚度h(0.05～0.20 mm)和几何参数e(0.5～4.0)的增大,涡胞数量增多,尺寸增大,涡胞位置也发生变化;流体入口轴向速度对流场结构模拟结果有重要影响;同时,由于涡胞结构的影响,腔体壁面压强及近壁面速度分布是不均匀的.