底吹氩钢包内流动及界面传热行为的数值模拟研究

钢包底吹氩是二次精炼中的常用手段,在均匀温度和成分、促进钢渣界面反应、去除夹杂物等方面效果显著,然而底吹氩在搅拌钢液的同时会加剧壁面耐材熔损,降低钢液洁净度,影响钢包寿命和使用安全性。采用数值模拟的方法研究了底吹氩钢包内钢渣流动及固液间传热行为,分析了单孔和双孔吹氩下气泡上浮及钢渣界面行为,对比了钢包不同结构界面处温度分布,探讨了吹氩量对钢包内流动传热及界面温度分布的影响。结果表明:底吹氩钢包内气泡羽流呈倒锥状分布,随着距渣眼距离的增加,钢渣界面速度和温度逐渐降低;同一气量下,相较于单孔吹氩,双孔吹氩下气泡羽流扩张角增大,渣眼面积减小,钢渣界面最大速度和湍动能较小;钢包不同结构界面温度由内向外逐渐降低,各界面渣线高度位置和底部存在较大的温度梯度;底吹氩所形成的局部循环流会导致工作层壁面的近钢渣界面位置形成高温热点区域。增大吹氩量,壁面高温热点区域温度和范围增大,近钢渣界面壁面的最大周向温差在20 K左右,双孔吹氩模式和低吹氩量有利于减小壁面周向温差。

气-液界面位置对微凹槽结构内两相流场和减阻特性的影响研究

在超疏水表面增加微凹槽结构,有利于在表面张力作用下留存部分空气形成气-液界面,从而大大降低流动阻力,在流动减阻方面展示了巨大的应用潜力.然而,由于流体剪切、空气溶解等影响,微凹槽内的空气容易发生损耗,导致气-液界面位置向凹槽底部移动,进而降低减阻效果.为了揭示微凹槽内空气损耗后气-液界面位置对流动减阻效果的影响,开展了显微高速摄影实验和计算流体动力学数值模拟,研究了微凹槽内不同气-液界面位置对两相流场特性的影响,并分析了等效滑移长度和减阻率的变化规律.结果表明,随着气-液界面位置的下移,气-液界面上方的流体从附着流转变为分离涡流,空气内部的涡流方向也从顺时针转变为逆时针.形成分离涡的临界空气损耗率为h_(c)^(*)=0.3~0.4,减阻率从12%降低到5%.界面下降后雷诺数Re、微通道宽度W和凹槽长度占比δ对微凹槽减阻性能也有重要影响,研究结果有助于深化对超疏水表面微凹槽两相流动减阻问题的认识,为微凹槽结构设计及应用提供重要的理论指导.

吹氩模式对钢包内多相流流动行为影响的数值模拟研究

以某钢厂150 t钢包为对象,通过数值模拟手段研究了吹氩模式和吹氩流量对钢包流场、钢渣界面行为和壁面剪应力分布的影响。结果表明:单孔吹氩模式下,钢包内环流远端流速低,钢渣界面流动不活跃,易导致此处渣层冷凝结壳;双孔等流量吹氩模式下,随着吹氩流量增大,钢渣界面流速增加,但其流动活跃性降低;双孔差流量吹氩下,大吹氩流量时钢渣界面能维持一定范围的活跃流动。当吹氩流量在120~240 L/min范围,单孔吹氩所形成的渣眼面积大于两种双孔吹氩模式;当吹氩流量超过240 L/min,双孔等流量吹氩下渣眼面积最大,双孔差流量吹氩对应的渣眼面积最小。另外,单孔吹氩下壁面剪应力最大,应力面积较小,双孔等流量吹氩下剪应力虽然显著降低,但分布区域面积增大。综上所述,双孔差流量吹氩模式可以在提高钢液精炼效率的同时,降低对钢包内衬耐火材料的流动侵蚀。

搅拌摩擦焊界面摩擦及材料流动行为仿真

采用计算流体力学(CFD)方法研究了6061铝合金搅拌摩擦焊过程中的界面摩擦行为与材料流动行为。通过在搅拌头-工件界面采用剪切力边界条件,实现了焊接过程中界面摩擦与材料流动的完全耦合分析。结果表明,搅拌头与工件间的界面摩擦行为呈现显著的非均匀特征:轴肩芯部及环形槽内呈近似黏着摩擦,轴肩外缘区域呈滑动摩擦;搅拌针侧面呈现不同程度的滑动状态,界面滑动比例随其到轴肩的距离增加而增加。摩擦界面附近存在厚度为0.66~4 mm的低粘度区。在低粘度区,工件上部材料流动速度可达0.17 m/s,应变率可达85.7 s^(-1);在工件下部材料流动速度可达0.017 m/s,应变速率可达11.7 s^(-1)。从材料流经低粘度区的流动路径来看,搅拌摩擦焊过程材料流动呈现多圈旋转及直通两种模式。仿真得到的温度、低粘度区形状及标记材料沉积位置均得到了实验结果的印证。

微通道中毛细流动及其工程应用的研究进展

毛细现象在人类的生产生活中广泛存在,它源于微观分子间的相互作用力,其影响又表现在宏观层面。探究微观分子层面毛细作用规律,可用来指导多相流驱替、微流体芯片中的被动运输、微反应器设计等工程实践,具有重要的研究价值。对微通道中毛细填充动力学的研究进展进行了综述,总结了毛细流动在工程中的应用。分析了毛细现象的动力学规律,并对毛细流动的研究进行了展望,可为微通道中流体动力学理论发展及其应用提供参考。

致密砂岩孔隙尺度下气-水界面动态演化可视化实验研究

水相圈闭是非常规天然气开发面临的主要储层损害问题之一,采用岩心驱替实验无法直观揭示孔隙内部气水两相分布和流动演化过程,因此,对水相圈闭损害微观作用机理的认识有待提高.根据致密砂岩铸体薄片,设计出一维通道和二维孔隙网络两种玻璃芯片模型,可视化研究了孔隙尺度下渗吸和返排过程中气-水界面演化和两相流动行为;结合岩心驱替实验,探讨了孔隙尺度气-水界面演化与致密砂岩宏观气体流动的关联机制.结果表明:(1)孔隙尺度下气-水界面随含水饱和度的增加由水膜水气-水界面向毛管水气-水界面演化,并主要通过卡断和绕流两种形式破坏气体流动连续性;(2)优势通道既是孔隙尺度下水相返排的快速走廊,也是气泡运移和贾敏效应发生的主要通道,是造成储层产水但不产气的一个重要原因;(3)孔隙尺度下气-水界面演化引起的水封气现象是水相圈闭损害的具体微观作用形式,宏观表现为岩心尺度上水相难以彻底返排和气体渗透能力不能完全恢复.实验结果可为储层岩石孔隙尺度下水相圈闭作用机理和气水可动性分析提供理论依据.

水下航行体边界层转捩流动结构实验研究

采用激光诱导荧光(Laser Induced Fluorescence,LIF)和粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)技术,对自由湍流条件下SUBOFF模型转捩边界层中的流动结构进行精细测量。实验在北京航空航天大学大型低速回流水洞中进行,SUBOFF模型长度为1.436 m,基于模型长度和来流速度的实验雷诺数为3.35×10^(5)。采用流动显示灰度场和有限时间李雅普诺夫指数(Finite-Time Lyapunov Exponents,FTLEs)对转捩边界层中的涡结构进行识别,并对转捩过程中发卡涡、二次涡等典型拟序结构的生成演化过程进行分析。采用两点相关方法提取转捩区拟序结构,同时采用椭圆拟合方法计算相干结构倾角,计算结果表明,结构倾角沿法向先增大后减小,在边界层附近达到最大值。为深入研究转捩流动结构特性,发展了基于流动显示的湍流/非湍流界面(T/NT)识别方法,并对界面几何特性进行了研究。研究结果表明,在转捩过程中,界面的法向高度和分形维数沿程增长。

基于背景纹影的气液界面行为特性可视化

气密封技术是维持浸没流场稳定性的主要机制。气体射流冲击晶圆表面,防止浸没液体泄漏造成套刻误差和曝光缺陷。因此,浸没流场和密封气体的相互作用、气-液界面的行为特性亟需研究。采用背景纹影技术观测气体射流,介绍了该可视化技术的测量原理和硬件搭建。通过光路设计实现气-液、内-外流场同步观测,以及界面行为特性研究。对背景纹影技术等非接触式测量技术在超洁净流控中的应用提供指导。

基于Marangoni界面效应的数控化学抛光去除函数的研究

利用基于Marangoni界面效应对化学抛光去除函数的理论及实验进行研究,提出采用湿法化学抛光(刻蚀)方法为大口径高精度光学元件的加工提供新的解决途径。介绍了Marangoni界面效应及其验证实验,运用WYKO轮廓仪对熔石英基片局域刻蚀前后的粗糙度进行检测,结果表明,粗糙度基本无变化,刻蚀前后粗糙度分别为0. 72nm和0. 71nm。基于Preston假设, 建立了数控化学抛光理论模型,运用WYKO干涉仪观察实验现象可知,化学抛光刻蚀曲线基本上成平底陡峭的去除函数曲线,小磨头抛光是倒置的仿高斯函数曲线。

气液传质液滴界面的Marangoni对流

通过氮气吹扫双组分液滴,用激光投影法定性观察由于轻组分向气相扩散导致的Marangoni对流结构,结果表明Marangoni对流以小尺度涡流结构和大尺度对称循环流动的形式出现,其中乙醇-水体系首先出现小尺度涡流结构,涡流不断长大合并;丙酮-水体系则以大尺度对称循环对流结构为主,随后在近界面处形成小尺度涡流结构。采用氮气吹扫乙醇-水及丙酮-水静止悬垂单液滴的方法,通过比较实验测量传质系数与理论预测值,表明液滴近界面处Marangoni对流小尺度涡结构对传质促进作用较小,而液滴内大尺度循环对流结构对传质促进作用大。

气液界面Marangoni效应对传质系数的影响

在气液相际传质过程中,界面Marangoni湍动会对传质过程产生重要的影响,为此,建立了一套气液接触传质设备,以使得通过N2与异丙醇稀溶液逆流接触将液体中使表面张力降低的溶质解吸出来,从而引发Marangoni湍动,提高传质速率。发生Marangoni对流时,液相的传质系数比只依靠扩散传质而不考虑Marangoni效应时大,因此引出增强因子F这一概念,通过计算F的值即可判断Marangoni效应对传质速率影响的程度。提出了一个包括Marangoni准数的计算传质系数关联式,其计算结果与实验结果相符。

凝析油气低界面张力对凝析油流动的影响

通过组分模型模拟实际凝析气藏恒容衰竭过程，研究在低界面张力作用下近井区域凝析油的流动性。储集层平均渗透率和孔隙度分别为０．０５２７μｍ２ 和０ ．１０７３，凝析气流体富含凝析油，最大反凝析液量约为２２％ 。尽管模拟油气的界面张力常常比实际凝析油气高数十倍，但预测凝析气藏动态时仍常常采用从模拟油气测得的相对渗透率。由于低界面张力会明显影响油气相对渗透率，因此，对模拟油气相对渗透率进行了校正。校正后油气相对渗透率增大，特别是凝析油的相对渗透率明显增加。通过近井区域凝析油饱和度、日产油量、累积产油量随生产时间的变化分析了凝析油的动态特征。结果表明，在生产初期，近井地带凝析油迅速积聚，很快达到最大饱和度，并随井继续生产而逐渐减小。分析相对渗透率校正前、后的结果发现，由于凝析油气界面张力低改善了凝析油流动性，所以校正后近井区域凝析油饱和度大大低于校正前，且校正后日产油量、累积产油量均高于校正前。研究结果同时表明，正确的相对渗透率曲线对于描述凝析油气生产动态具有重要意义。

原油与化学驱油体系界面Marangoni对流实验研究

利用微观显微摄像系统研究了新疆油田石油磺酸盐(KPS)、Na2CO3及其复合体系与新疆原油接触后的界面变化特征。结果表明:KPS,Na2CO3及其复合体系与新疆原油接触后可以发生Marangoni对流,产生剧烈的界面扰动;Na2CO3与KPS在产生Marangoni对流过程中具有协同作用,低界面张力条件下Marangoni对流产生的界面扰动能够使原油自发乳化;聚合物的加入抑制了Marangoni对流。

微尺度流动界面现象及其流动边界条件分析

水平微尺度毛管中低Reynolds数流体流动出现许多另人费解的现象,如流动前缘并未出现Poiseu ille速度剖面,而似一种“段塞式”流动,固/液界面看似不符合无滑移边界条件。该文针对这些易引起困惑的问题,利用可视化微管流动实验及岩石孔隙仿真光刻模型流动实验,考察了润湿性对微尺度毛管中流体流动的影响,探讨了微尺度毛管中表面流动现象产生的实质。结果表明,在微尺度流动中观察到的小分子液体“段塞流动现象”,以及看似壁面滑移流动等现象,其实质是液/固壁面仍为无滑移边界,三相接触点以尤如运动的“坦克的链轨”发展方式,沿壁面发展,从而产生“段塞式”流动。虽然仍在低速层流的条件下,但由于界面张力的作用,接近动界面处流动质点的运动已不再保持一维直线运动。

人体纤维结缔组织网络中的主动界面液体流动新现象及其机制研究进展

认识和理解组织液在凝胶样组织间隙中的流动规律和力学机制是近百年来的重大医学科学问题之一。本文回顾了生理学中关于组织液流动的若干代表性研究、颅内血管周围间隙中的液体流动研究及经络示踪成像研究等,并介绍了已有的系列研究结果,即通过追踪人体和动物体内不同部位组织间隙中的示踪剂流动,发现组织液沿动脉和静脉血管外膜、神经和皮肤等至少四种解剖结构进行长程而有序的流动;其中的皮肤组织液长程流动通路与人体四肢远端穴位区相连接;组织液长程流动通路的内部结构是由有序纤维集合而成的纵向纤维束,组织液以纤维等固相结构为轨道而流动,形成贯穿全身的"组织液界面流动网络",具有重要的医学科学和中西医结合研究价值。

液液分层流动系统速度分布及界面剪切力研究

在两平板间粘度相差较大的不互溶液液分层流动系统中轻重两相在相界面处出现近似滑脱现象 ,且剪切力在界面处不连续 ,轻相远大于重相。在速度分布模型推导过程中引入了界面剪切力参数 ,计算结果与实验数据吻合较好。

大直径硅单晶生长过程中固/液界面形状及熔体流动的数值分析

数值模拟技术是提升大直径硅单晶质量、降低晶体制备成本的有效工具。利用切克劳斯基法生长硅单晶时,固/液界面的形变程度是衡量晶体质量的关键参数。由于单晶炉体内的高温环境导致对界面的直接观察极为困难,因此本文采用有限元法对生长16英寸直径硅单晶过程中,不同生长阶段的固/液界面形状及熔体流动情况进行计算。数值计算结果表明:在本文所用的热场及工艺参数条件下,随着晶体长度的不断增加,固/液界面的形变量增加同时晶体内部的热应力加大;通过对晶体提拉速率及晶体转速-坩埚转速的比值的调整,我们发现,降低晶体的提拉速率以及精确的控制转速比可以使晶体各个阶段都获得比较理想的界面形状。

垂直管内气液两相逆向流动中界面波特性及液泛现象研究

以空气、水为工质，对内径５０ｍｍ的垂直管内气液两相逆向流动中的液泛现象和界面波特性进行了实验研究．通过实验观察和分析，认为本实验条件下的液泛是由于气液界面产生大的振幅波而后失稳造成的．研究了液泛产生前、后界面波特征及其速度、频率和波长随气液两相流量的变化规律．

声发射技术检测牙齿不同流动树脂填充后粘接界面断裂的效果

选择20颗前磨牙制备Class I类洞,按厂家说明涂布粘接剂,将20颗牙随机均分为2组:传统组和自粘结组,分别按照厂家说明充填3M ESPE FiltekTM Z350XT流动树脂(传统组)和Kerr DyadTM自粘接流动树脂(自粘结组),同时用北京软岛DS5声发射仪进行监测300 s,声发射仪记录30 s后对树脂光固化20 s,分别计算声发射事件总数及总能量。结果显示,声发射、总能量传统组[(18.77±12.60)m V×ms]与自粘接组[(42.41±22.12)mV×ms]比较差异有统计学意义(P<0.05);声发射事件总数传统组(59.9±34.10)与自粘接组(65.9±17.14)比较无统计学差异(P>0.05)。认为声发射技术可以用来检测不同流动树脂粘接界面断裂,自粘结流动树脂更容易发生粘接界面断裂。

管道输沙两层流动模型分界面位置的确定

在重力作用下,泥沙沿输送管道横截面的分布呈现上层稀疏下层浓密的特点。据此可将整个流动简化为具有不同平均速度和平均浓度的两层流动。以中沙在直径为150 mm管道上的实测流动为例,用迭代方法确定了两层流动的分界面位置,结果表明两层流动模型能够刻画泥沙在管道中流动的主要特征和内部结构。