基于格子Boltzmann方法的动压气体轴承黏性热耗散研究

箔片气体轴承微间隙内的流场常处于滑移区,甚至过渡区,会出现一些微观效应,其热特性的研究采用宏观方法已不再合适。为研究不同工况下动压气体轴承间隙热特性变化规律,基于格子Boltzmann方法建立包含黏性热耗散项的径向轴承间隙传热数值模型;采用总能形式的双分布函数热模型,通过有限差分离散将其应用到贴体网格中,同时引入速度滑移和温度阶跃边界条件,通过数值计算得到不同参数下的轴承间隙气膜温度分布,并分析了不同埃克特数(Ec)、偏心率和转速条件以及温度阶跃对黏性热耗散的影响。结果表明,当Ec数、偏心率和转速增大时,气膜最高温度增加,两侧的温度阶跃增加;温度阶跃效应的忽略均会导致黏性热耗散量不同程度的低估。

微尺度通道中聚合物熔体的黏性耗散效应

以双料筒毛细管流变仪和自行研制的黏性耗散测量装置为实验平台,通过对聚甲醛(POM)和聚苯乙烯(PS)两种聚合物熔体在不同剪切速率下,流经长径比相同的直径/当量直径分别为350μm和500μm的圆形及矩形截面微通道出口熔体温升的测量,研究了微尺度通道中聚合物熔体流动时的黏性耗散效应及其对熔体流变行为的影响。结果表明,两种截面微通道中的熔体黏性耗散效应均随剪切速率和微道直径/当量直径的增大而明显增强,其中矩形截面微通道中熔体的黏性耗散作用尤为强烈;且在相同实验条件下,结晶性的POM熔体因黏性耗散效应引起的微通道出口熔体温升值,高于非晶性的PS熔体。

幂律流体饱和多孔介质通道中的黏性耗散效应

针对Darcy-Brinkman-Forchheimer流动模型,分析了幂律型非牛顿流体在填充多孔介质平板通道中强迫对流传热过程充分发展的黏性耗散效应,并比较了三个不同的黏性耗散项Darcy项、Al-Hadhrami项和Forchheimer项对流动传热率的影响。推导出了无量纲轴向流速分布和无量纲温度分布的计算表达式,并在恒热流边界条件下,利用经典Runge-Kutta法进行数值求解。模拟结果表明,布林克曼数Br、达西数Da、综合惯性参数F和幂律指数n等重要参数对无量纲温度分布有着较大的影响,同时发现不同的黏性耗散效应对流动传热特性也有着重要的影响。

圆管聚合物热流中黏性耗散分析的无网格模拟

以与温度相关的指数定律作为本构方程,应用无网格方法模拟了外表面为恒温时的圆管内具有黏性耗散的聚合物流动热传导问题,给出了离入口不同位置处的温度分布。计算结果表明:根据黏性耗散模型计算的温度比无黏性耗散模型高出64℃,从而说明了黏性耗散在聚合物流动热传导问题中具有举足轻重的作用。并且,无论是无黏性耗散模型,还是黏性耗散模型,其极限温度与壁面温度有很大的关系,但与入口温度无关。

超声外场对微通道中熔体黏性耗散效应的影响

针对聚合物熔体在微尺度通道中流动时的黏性耗散效应对其流动行为的影响,通过自行构建的带有温度传感器和超声振子的微注塑成型试验系统,采用单因素成型试验方法,对聚丙烯(Polypropylene,PP)和高密度聚乙烯(High-density polyethylene,HDPE)两种聚合物材料在不同工艺参数和超声外场作用下,流经矩形截面微通道时由黏性耗散效应引起的通道出口熔体温升进行试验测量。结果表明,微通道中熔体的黏性耗散效应随注射速度的增加而增强,随入口熔体温度和模具温度的升高而减弱;与不加超声振动相比,施加超声振动使两种材料的微通道出口熔体温升值明显升高;但材料自身的微观分子结构及其热物理性能不同,其温升增幅差别较大。试验注射速度下,施加超声振动比不加超声振动时的PP熔体温升增幅高出34.7%,而HDPE熔体的温升增幅则高达71.7%。当超声频率和工艺参数一定时,增大超声功率使PP熔体的微通道出口温升增加了24.8%,HDPE熔体的温升增加了83.6%。可见施加超声外场作用能使微通道中聚合物熔体的黏性耗散效应明显增强。

黏性耗散对幂律流体在多孔介质内对流换热的影响

基于Darcy-Brinkman-Forchheimer流动模型,比较了幂律型非牛顿流体在饱和多孔介质通道内充分发展的强迫对流换热过程中不同黏性耗散的影响,推导出量纲一的轴向流速分布、量纲一的温度分布,及对流换热特征参数的计算表达式,并在恒热流边界条件下,利用经典四阶Runge-Kutta法对不同情形下的黏性耗散效应进行了数值求解.模拟结果表明:对流换热特性与速度分布密切相关,不同的黏性耗散Darcy项、Al-Hadhrami项和Forchheimer项对流动换热特性有重要的影响,且布林克曼数Br、达西数Da、综合惯性参数F和幂律指数n等参数对流动换热特性也有着较大影响.

黏性耗散对微喷管性能的影响

以FLUENT6.1为工具,利用数值计算求解二维稳态可压缩N-S方程和欧拉方程,模拟了扩张比为5.4的收缩-扩张微喷管内超音速流体流动,分析了黏性耗散对微喷管内部流体流速分布和静压力分布的影响,进而研究了黏性耗散对微喷管的流量系数和推力效率等推进性能参数的影响。数值计算结果表明,在微喷管收缩段,惯性力影响相对较大,黏性耗散对流体流动的影响相对较小;在微喷管扩张段,黏性耗散的影响相对增加,惯性力影响相对减小,黏性耗散将影响微喷管内流体的流动方向;在喷管出口,主流流体偏离的程度减小,进而影响微喷管的推进性能参数。

黏性耗散效应对微石英管内部对流换热的影响

以去离子水为工质,对流过内径分别为45μm、92μm及141μm的微石英管内的黏性耗散对换热特性的影响进行了实验研究。通过对紧密缠绕在管外的细铜丝通电以加热管外壁,得到了Reynolds数在100～2000之间变化时的Nusselt数,同时在考虑到电双层效应的基础上计算出黏性耗散所产生的热量。实验结果表明,Re较低时,黏性耗散效应对微管内部对流换热的影响较小;随着Re的增加,黏性耗散对对流换热的影响增大,并随着微管直径的减小而明显增强。对于内径为45μm的管,当Re达到2000左右时,黏性耗散效应对对流换热的影响超过14.1%;对于内径为141μm的管,层流黏性耗散效应对微管内部对流换热的影响较小,基本可以忽略。

矩形截面微模具通道中熔体的黏性耗散效应

基于对微注塑成型过程中聚合物熔体充模流动时黏性耗散效应的理论分析,以聚丙烯(PP)和高密度聚乙烯(HDPE)两种聚合物材料,在不同工艺参数作用下流经不同当量直径和长径比矩形截面微模具通道时,由黏性耗散效应引起的微通道中熔体温度变化进行了试验测量和数值模拟。结果显示,微通道出口熔体温度的试验测量和数值模拟值与理论计算值非常吻合,且其平均误差小于1℃。同时研究发现,增大微模具通道当量直径和长径比时,熔体流动时的黏性耗散热量增多,通道出口熔体温度升高;而当微通道几何尺寸一定时,其黏性耗散热量随注射速度和注射压力的升高而增加,随熔体温度和模具温度的升高而降低;但同样试验条件下,对剪切作用敏感性强的PP材料的黏性耗散热量明显高于对剪切敏感性弱的HDPE材料。

微通道中高黏度油墨流体的黏性耗散生热

为了分析胶印机钢辊和橡胶辊间的微通道中高黏度油墨流体的黏性耗散效应,首先对黏性耗散效应的影响因素进行分析,然后运用流体仿真软件Fluent对微尺度的高黏度油墨流体的黏性耗散生热进行了研究.建立了考虑黏性耗散生热的油墨流体仿真模型,获得了油墨流体的压力分布、速度分布及温度分布等特性;通过不同通道尺度、不同油墨黏度的仿真对比分析,结合理论分析,得到了通道尺度和油墨黏度对黏性耗散生热的影响.结果表明:随通道尺度的减小,油墨流场的温度升高,并且流场的最高温度与通道尺度间近似为非线性的指数关系.随油墨黏度的增大,油墨流场的温度升高,并且流场的最高温度与油墨黏度间为近似线性关系.

振动剪切流场中聚合物熔体的动态黏度计算方法——黏性耗散法

基于剪切功率的耗散机理,提出了一种计算振动剪切流场中聚合物熔体动态黏度的黏性耗散法,并建立了理论模型。运用黏性耗散法,计算了简单振动剪切流场中 Maxwell 流体的动态黏度,得到了与传统方法相一致的结果,从而验证了理论模型的正确性。通过讨论振动叠加流场中 Maxwell 流体的动态黏度,分析了黏性耗散法的应用局限性。最后,通过动态流变实验,发现黏性耗散法对于小振幅范围的振动剪切流具有较好的预测能力。

聚合物熔体黏性耗散测量装置研制及教学应用

针对聚合物熔体流动过程中黏性耗散现象的理论教学不足,在双料筒毛细管流变仪基础上研制了聚合物熔体黏性耗散测量装置并进行实验.根据绝热边界条件径向温度分布方程,对实验结果进行理论分析计算.组织学生学习POLYFLOW软件,利用其可视化功能对黏性耗散引起的温度场变化进行数值模拟,并与理论计算结果对比分析.通过让学生自己动手,改变了理论模式教学,对加深黏性耗散知识的理解起到积极的作用.

黏性耗散对壁面热流的贡献

壁面的热流贡献可以被分解为湍流传热部分的贡献、分子传热部分的贡献、压力功部分的贡献和黏性应力功部分的贡献(VW) 4部分。本文首先在低马赫数Ma 0.3 (近似不可压缩流动)和中等马赫数Ma 1.5的可压缩槽道湍流中对该分解公式进行了进一步验证,所得结果和壁面直接计算的热流符合得很好。在此基础上,进一步将脉动场黏性应力功的贡献VWf分解为螺旋耗散、膨胀耗散以及脉动密度相关项耗散,发现脉动场部分的贡献主要是螺旋耗散项。数值结果显示,在低马赫数下,黏性应力功部分依然是壁面热流的主要贡献项。

基于不同温度SCB试验的沥青混合料低温抗裂性能评价

为更方便、准确地评价沥青混合料低温抗裂性能,通过对半圆弯曲(SCB)试验对断裂能成分进行分析,探究了断裂能随温度升高而增加的原因,提出了基于SCB试验计算沥青混合料黏性耗散能方法,并用于评价沥青混合料低温抗裂性能。通过设计SCB试验,测试并评价了6种沥青混合料低温抗裂性能。结果表明:沥青混合料断裂能随测试温度升高而增加主要归因于黏性耗散能的增加,通过SCB试验预估沥青混合料黏性耗散能,用以评价沥青混合料低温抗裂性能;以黏性耗散能作为低温抗裂性能评价指标,对比不同再生沥青混合料的黏性耗散能的变化幅度,可以发现最大变化幅度(AC20R40与AC20R40RA试验组的差异)达到72.2%,远大于断裂能的变化幅度,可有效区分不同再生沥青混合料的低温抗裂性能,同时也有利于降低试验误差对评价结果的影响;随着试验温度升高,沥青混合料从脆性破坏逐渐转为延性破坏,断裂面中集料断裂面积逐渐减少,且材料原子或分子振动更剧烈,造成沥青混合料表面能逐渐减小,所以出现断裂能随温度先增大后减小的变化规律,其由黏性耗散能引起,断裂能峰值点温度即为黏性耗散能峰值点温度;建议黏性耗散能以―12℃与0℃温度下SCB试验的断裂能之差进行计算,用以评价沥青混合料低温抗裂性能。

喷墨液滴撞击疏水表面的溅射现象研究

为研究喷墨打印中液滴撞击疏水表面时产生的溅射现象,本研究进行了液滴撞击实验和有限元模拟。通过调控液滴速度得到沉积和溅射两种撞击结果,使用有限元法对撞击过程进行分析,发现液滴铺展前沿部分存在惯性力、黏性力和表面张力的局部竞争关系。据此进行量纲分析,得出无量纲系数K的形式,通过数据拟合得到由沉积转向溅射的临界值K=107.5。研究结果表明,密度、直径和速度的增大会导致惯性力的增大,促进溅射;表面张力的增大会促使液滴回缩,抑制溅射;黏度的增加会使黏性耗散增大,从而削弱惯性力,抑制溅射。利用此规律可以推导出定量打印的最大安全速度,在保证印刷质量的同时提高打印效率。

高焓湍流边界层黏性耗散对壁面热流的影响

飞行器在高速飞行过程中,头部激波会强烈压缩来流使得气体温度急剧增大,激发高温非平衡效应。高温非平衡效应与湍流耦合作用形成高焓湍流边界层,使得飞行器表面热流生成机制变得更加复杂。基于内能守恒方程,推导出适用于高焓湍流边界层的热流分解公式,并对高焓零压力梯度平板湍流边界层热流生成机制进行分析,重点关注了黏性耗散作用对热流生成的影响。结果表明,黏性耗散是热流生成的主要来源,高温非平衡效应会在近壁区增大黏性耗散的贡献。黏性耗散作用可以分解为平均黏性耗散、脉动黏性耗散2部分,分别主要分布于近壁区和对数区。2部分黏性耗散作用都对壁面热流产生显著影响,且平均黏性耗散对壁面热流的贡献大约是脉动黏性耗散的2倍。

气泡黏性对上升运动特性影响的界面追踪算法模拟

为了研究气泡黏性对其上升过程的速度、形态以及阻力系数的影响,基于界面追踪法(front-tracking method,FTM)模拟了气泡在黏性流体中的运动,通过改变气泡黏性来改变气液黏度比,研究了气泡内的速度分布以及气泡周围黏性剪切应力的分布和变化特点。研究表明:气液黏度比较小时,流场中的黏性耗散很强,气泡的黏度主要影响其平衡速度和形态,气液黏度比较大时,黏性耗散减弱,其平衡速度和形态基本无变化,气泡黏性主要影响气泡内的速度分布;气泡上升过程中的阻力系数随黏度比增大而减小,黏性剪切应力则呈现相反的变化趋势。气泡上升过程中,周围的黏性剪切应力关于中心轴线对称分布,出现最大黏性切应力的区域由气泡两侧逐渐向气泡底部边缘过渡;气泡尾部边缘的形变引起气泡尾部的表面张力不平衡,使得气泡的形态发生改变。

黏性耗散对离心压缩机气动性能的影响

针对小流量系数离心压缩机,考察了流体的黏性耗散效应对流动损失的影响程度。通过压缩机模型级的实验测量和数值模拟,分别分析了压缩机级和叶轮在有、无黏性耗散影响下的流动性能。结果表明:当不考虑黏性耗散损失时,压缩机模型级具有较高效率;在黏性耗散效应的影响下,流动的多变效率约降低8个百分点。另外,不同的机壳间隙对多变效率也存在2～4个百分点的影响,但是叶轮总压升则不受黏性耗散效应的影响。结果证明黏性耗散损失是造成小流量系数离心压缩机流道中气流机械能转换为热能,从而使效率降低的重要原因。

超临界氦在CICC冷却通道的黏性耗散研究

CICC(Cable-in-conduit Conductors)是目前国际公认的用于受控核聚变、大型超导储能装置和稳态强磁场装置的首选导体。超临界氦在压差的作用下通过CICC导体时,不仅需要带走外部环境通过传导、辐射和对流产生的热负荷,同时需要带走黏性耗散产生的热量。随着CICC导体结构的复杂化和紧凑化,黏性耗散作用加剧,所产生的热量在工程设计时已不容忽略。本文通过理论计算和实验相结合的方法来定量确定迫流氦在CICC的黏性耗散,以指导大型超导磁体的超临界氦迫流冷却设计工作。

聚合物熔体微尺度流动过程黏度与黏性耗散的耦合作用

为了探究在聚合物微成型时熔体黏度与黏性耗散的耦合作用对熔体的流变特性产生的影响,采用数值计算和试验相结合的方法研究了黏度与黏性耗散之间的耦合作用。通过建立微尺度黏度和黏性耗散基于共同变量温度的耦合模型,计算并分析了不同当量直径的矩形微流道内熔体流变特性参数的变化规律,试验验证了熔体沿流动方向的温度变化。结果表明:在相同工艺参数条件下,当量直径越小,熔体黏度越小,黏性耗散作用越强,耦合作用对熔体黏度和黏性耗散的影响越强。熔体沿流动方向温度升高,不考虑耦合作用时熔体温升比考虑耦合作用时高,且偏差随当量直径的减小而增大,不同的入口速度和入口温度条件下平均温升的最大偏差分别为7.26%和7.05%。数值计算与试验结果趋势一致,对于不同的入口速度,考虑耦合作用的熔体沿流动方向的计算平均温升与试验测量值最小偏差为0.49 K;对于不同的入口温度,考虑耦合作用的熔体沿流动方向的计算平均温升与试验测量值最小偏差为0.59 K。因此,在对聚合物微成型过程中的熔体流动分析时,考虑黏度与黏性耗散之间的耦合作用,才能够更准确地反映熔体流变特性的实际变化规律。