理查德森数对多孔介质T型管道近壁面处流动与传热的影响

对多孔介质T型方管内冷热流体混合过程的流动和热传递进行大涡模拟,获得了近壁面处湍流混合的瞬时速度和温度,分析了3种理查德森数(Ri=-0.517,-0.093,0.517)对流动与传热的影响。数值结果表明:无论理查德森数Ri为正或负,在热流体区,多孔介质骨架温度较低,而在冷流体区,多孔介质骨架温度较高,说明热量从高温流体通过多孔介质向低温流体传递;最大温度波动发生在近壁面处的上部;由于多孔介质的湍动增强作用,减弱了浮升力对流动的影响,不同理查德森数对流动和传热的影响不够明显。

含球形相变胶囊的混合储能水箱特性模拟研究

储能水箱是在太阳能光利用过程中的重要元件,是协调未来能源供需平衡,解决可再生能源空间不足的有效方法之一。对含有相变胶囊的混合储能水箱特性进行模拟研究。采用RT35作为相变材料,水作为传热流体,创建了储能水箱的含相变胶囊的数值模型,模拟水箱内部的蓄热过程,探究水箱内热分层机理。水箱内部温度为278.15 K,入口温度为353.15 K,采用了理查德森数、平均蓄热率和平均蓄热密度作为储能水箱的储能评价指标,对不同的相变胶囊高度、不同的入口流速以及不同的相变胶囊尺寸进行了模拟实验。实验结果表明:随着相变胶囊距水箱底部的高度越高、相变胶囊直径越小,理查德森数越大,平均蓄热率和蓄热密度越大。入口流速越小,理查德森数越大,平均蓄热率和蓄热密度越小。相变蓄热胶囊内相变材料1/2进行液化所需的时间与入口流速、相变胶囊尺寸成反比,与相变胶囊的距水箱底部的高度成正比。

南黄海苏北近岸西洋水道水沙输运机制分析

基于2008年3月份在南黄海辐射沙脊群西洋水道内5个站位大潮期间的观测数据(包括流速与悬沙质量浓度的垂向剖面),利用机制分解法计算了西洋水道内的水与悬沙通量。结果表明,水体在多数时段内均处于分层向混合过渡的状态,中下层水体的理查德森数(Ri)与瞬时悬沙输运量中的平均流输沙项及流速的潮周期变化相关项之间存在显著的负相关关系,表明水体的层化效应和混合程度对悬沙输运有重要影响。西洋水道内悬沙净输运率为10-1～100 kg/(m.s)量级,并以欧拉余流向岸输运为主,该结果揭示了苏北近岸潮滩在陆源物质供应减少背景下向海快速淤长的重要物质基础和水动力作用机制。

长江河口悬沙与盐分输运机制分析

2004年9月15～22日在长江口南支口门区域进行了水位、流速、悬沙浓度、盐度的全潮观测，基于这些现场数据，分析河口区域流速结构、悬沙浓度与盐度的时空分布特征；利用机制分解法研究河口悬沙、盐分的通量和输运机制，并探讨它们与水体垂向结构之间的关系。主要结论如下：长江河口区的悬沙浓度存在显著的时空变化特征，从口内向口外，悬沙浓度呈显著减小趋势，大潮期间的悬沙浓度较大，是小潮期间的数倍。通量机制分析结果表明，长江河口区以欧拉余流为主，向海输运，并有向海方向逐渐减小的趋势，斯托克斯余流向陆输运，在大、小潮期间有显著差异。盐分输运机制中，以欧拉余流占主导地位，潮泵效应、垂向重力环流、垂向剪切扩散作用的贡献次之。长江河口悬沙净输运率在向海方向逐渐减小，大潮期间的悬沙净输运率比小潮期间的大1～2个数量级，水动力条件是造成长江河口悬沙净输运时空差异的主要因素。悬沙输运机制小潮期间以欧拉余流占主导地位，在大潮期间则以与紊流相关的垂向剪切扩散作用取代欧拉余流占据主导地位。悬沙瞬时输运机制中的剪切扩散项在中下层水体的理查德森数（Ri）小于0．25时才有较大的量值，在南槽内，当底层水体的理查德森数（Ri）处于0．1％Ri〈0．25范围时，剪切扩散贡献值的大小与Ri之间存在显著的负相关关系。研究还表明，适当的紊动强度有利于高悬沙浓度的维持，区域性的层化作用对紊流有强烈的抑制作用，这是造成长江河口悬沙输运空间差异的主要因素之一。

考虑旋转和曲率的湍流模型修正及应用

通过分析湍流模型在模拟旋转和弯曲壁面的旋转机械内流时存在的问题发现,在原有湍流模型的基础上考虑旋转和曲率效应是提高离心泵内流模拟精度和改善流动不稳定性的必然选择;在k-ωSST模型中通过考虑旋转和曲率修正,同时引入Hellsten的理查德森数修正模型思想和扩展内秉旋转张量修正,生成了一种新的湍流模型;应用改进后的湍流模型对比转数为34.34的离心泵在不同工况下的内流场进行了数值模拟,并将改进前后的数值计算结果与试验结果进行了详细对比,由此分析了泵内部流场的分布规律。研究结果表明:改进后的湍流模型预测的能量性能与试验值更接近;在0.6倍设计流量工况下,改进后湍流模型的扬程预测精度提高了3%,效率预测精度提高了近2%,这一结论在内流场中得到了验证;与原湍流模型相比,改进后湍流模型明显改善了叶轮流道和蜗壳扩散段处的流动情况。该结果可为湍流模型研究提供参考。

近海区域二阶紊流封闭模型的比较研究

将雷诺应力方程不同封闭方式归结为稳定函数的差异,并以此作为区分标准,总结了6种国内外采用过的稳定函数并以统一的形式列出,分析不同紊流模型稳定函数的分布和影响因素,并且通过实验资料进行了比较分析,发现(1)2000年后提出的3种稳定函数得到的临界理查德森数大于2000年前的3种,更符合实际情况,这与其在压强应变相关项和浮力相关项中增加了旋转效应和重分布效应有关;(2)尽管这3种模型考虑的因素更加全面,但在某些特定场合下,如边界层,与实验的吻合程度反不如前3种较早的稳定函数,反映了封闭模型本身存在的缺陷。最后,提出了二阶紊流封闭模型还待解决的问题。

理想条件下建筑屋顶热效应对污染物扩散特性的影响

基于realizable K-ε湍流模型,采用CFD模拟研究了背风建筑屋顶不同强度热效应产生的自然对流作用对建筑周围流场、温度场及屋顶烟囱排放污染物扩散的影响。研究中采用理查德森数Ri(0~1.15)表示背风建筑屋顶受太阳辐射产生的热浮升力与来流惯性力的相互作用强弱,并通过风洞试验对构建的数值模型进行了验证。结果表明:数值模型计算结果在湍流施密特数Sc_t=0.1时与风洞试验实测结果吻合最好;当Ri<0.78时,随Ri增大,迎风建筑A的背风区流动结构变化显著,街道峡谷背风面及行人呼吸高度面污染物浓度显著降低,降幅分别可达58%和70%;Ri≥0.78时,热浮升力占据主导,迎风建筑背风区流动结构及污染物的分布基本不再发生变化,而且由于热浮升力明显的抬升作用,使得街道峡谷内污染物浓度水平较低。

表层排放温水在陡岸型深水中温度层化的测量与模拟

为了研究水体温度分层现象与规律,针对表层排放温水在陡岸型深水中的温度分层现象进行了测量和模拟。首先建立一个表层排放温水在陡岸型深水环境中对流扩散的试验模型,利用温度同步测量系统测量了模型中水体温度场随时间的变化。然后,利用TELEMAC-3D软件建立了一个相应的三维流场与温度场数值模型。根据试验数据对模型进行率定,并开展与试验对应的模拟。结果表明,温度分层后水体从上至下可分为表层同温层、密度跃层和下部滞温层。数值模拟结果与试验结果吻合,所建立的数值模型可作为研究水体温度分层现象和规律的工具。通过分析模拟结果中水体温度分层与理查德森数(Ri)的关系,验证得到判断温度场分层与混合的理查德森数(Ri)临界值为0.25。

三水合乙酸钠储热水箱热特性实验研究

储热水箱是提高太阳能利用率的关键设备之一。本文基于三水合乙酸钠,搭建了一套储热水箱实验系统,在初始水温为80℃,进口温度为20℃的工况下,研究分析了进口结构、相变材料位置和进口流量下(2 L/min,4 L/min,6 L/min,8 L/min,10 L/min)对储热水箱热特性的影响机理。实验结果表明,相变蓄热材料使得储热水箱的蓄热量增加了3.14%。随着进口流量的增加,不同储热水箱的Ri数减小,当进口流量从2L/min增大到10L/min时,蓄热水箱的Ri数从148.8减小到5.5,这表明随着进口流量的增大,储热水箱的热分层程度逐步减弱。当进口流量为4~6L/min时,储热水箱具有更好的热分层性以及更高的火用效率。

太阳能蓄热水箱实验特性研究

搭建了一套蓄热水箱实验系统,以测试其热分层特性及热效率。在初始水温为70℃,进口水温为7℃的实验条件下,通过太阳能热水箱实验系统,在体积流量分别为1 L/min、2 L/min、3 L/min、4 L/min、5 L/min、6 L/min的工况下,分析了蓄热水箱的热分层以及对蓄热水箱的热特性的影响。引入理查德森数、火用效率等参数用以衡量蓄热水箱的热特性。结果表明:在进口流量为1 L/min时,理查德森数远大于其他进口流量所对应的理查德森数。当进口流量为3 L/min,火用效率在无量纲时间为0.85时下降趋势开始变缓。当进口流量为6 L/min,火用效率在无量纲时间为0.7时下降趋势开始变缓。

起动负浮力射流中涡环形成与演化的实验研究

本文对负浮力涡环的形成与演化的动力学特性进行了实验研究。对小冲程比(L/D = 2、3)情况下产生的浮力涡环的近场的演化进行了分析,发现随着理查德森数Ri增大,涡环的生长半径变大,涡环的运动速度减小,相应的动力学参数(水力冲量、环量等)也变小。并求得浮力涡环的冲量与速度,与细核涡环理论模型公式求得的冲量与速度对比,发现浮力涡环是符合细核涡环特性。

基于MST雷达垂直风速的大气温度剖面反演

本文主要利用MST(mesosphere-stratosphere-troposphere)雷达垂直风速时间序列进行频谱分析,计算B-V(Brunt-V?is?l?)频率,再根据B-V频率和温度的关系,本文建立了离散的温度反演模型,最后反演得到了全高度的温度剖面.通过计算温度剖面和探空仪实测温度剖面比较可见,二者的符合度非常高,变化趋势也完全一致.本文还进一步讨论了,利用B-V频率和MST雷达的水平风速还可以计算理查德森数,通过理查德森数可以很清晰的判断大气的稳定性,进而可以量化大气很多动力学特征以及解释大气中的很多波动现象.因此,B-V频率的获得是MST雷达对大气动力学研究的又一贡献,它可以准确地反演大气的温度剖面,同时获取大气动力学稳定性参数.