热风加热沥青路面冲击射流共轭传热特性

为提高热风加热沥青路面的就地再生加热效果,基于热风冲击射流对流换热和沥青路面内部导热的共轭传热过程,建立了热风加热沥青路面的冲击射流共轭传热理论模型,选取有限容积法得到了共轭传热模型的通用离散方程,采用压力-速度耦合半隐式算法(semi-implicit method for pressure linked equations,SIMPLE)获得了整个求解域内温度场分布,选取平均热流密度和平均换热系数反映沥青路面加热效果,通过正交试验研究了热风出口速度和热风出口温度对路面加热效果的影响程度。仿真和试验结果表明:理论计算与实验温度场分布趋势吻合度高,两者平均误差为8.4%;平均热流密度和平均换热系数在加热初期均从最大值急剧下降,而后下降幅度逐渐减小趋于平衡,两者的仿真计算与实验结果趋势相同,平均误差分别为6.4%和7.8%;热风出口速度和热风出口温度对平均热流密度均有显著影响,热风出口速度对平均换热系数有显著影响,热风出口温度对平均换热系数的影响相较于平均热流密度指标表现为不显著。研究结果为后续沥青路面就地热再生热风加热温度控制和加热器设计提供了理论依据。

微射流撞击形成液膜的形态演变特征

利用高速相机从正面和侧面两个视角拍摄了不同速度微射流撞击形成液膜的流动形态,以深入理解液膜形态演变的物理机制.实验中的射流韦伯数在6.3~404.5之间变化,结果表明:随着微射流速度的增加,射流的流动形态经历了从层流到湍流的变化,所形成的液膜经历了液体链条、封闭液膜、边缘失稳和波动液膜等多种流动形态.侧面视角观察到了撞击点附近射流表面存在静止毛细波,其波长随韦伯数增加呈现快速减小后缓慢减小的趋势.还观察到液膜顶端存在界面不稳定状态,其摆动导致沿液膜边缘产生向下传播的界面扰动,进而在液膜边缘形成液珠,液珠又可发展成指状液丝.指状液丝的生成带走了液膜中的部分流体,导致液膜在指状液丝根部上方撕裂.当射流中出现速度脉动后,会激励起液膜表面波动.若速度脉动间歇出现,液膜波动会在扰动消失后很快衰减;而持续的速度脉动会激励产生剧烈且持续的液膜摆动.这一发现证实了速度脉动引入的有限大小的扰动是激发液膜波动的必要条件.此外,液膜波动加速了液珠形成以及液珠向指状液丝的转变过程,还影响了指状液丝的空间分布.液膜摆动使两侧的撕裂点向液膜中心汇聚,形成下游的长液丝,完成了从液膜到液丝再到液滴的雾化过程.研究还利用纹影法获得了射流从层流向过渡流演变过程中液滴直径数据,发现液滴大小概率密度分布由多峰分布逐渐转变为符合Gamma函数的单峰分布.本研究得到的微射流撞击形成液膜的演变规律和机制,为相关应用研究提供了理论支持和定量认识.

稳态下击暴流风场竖向空间相关性试验研究

为研究下击暴流水平风速的竖向相关性,采用冲击射流装置模拟了稳态下击暴流风场,测量了不同径向位置、竖向距离、地貌条件以及射流速度下的水平风速,重点分析了水平风速的竖向相关性和相干曲线,提出了稳态下击暴流风场的相干函数模型。结果表明,相关系数随径向距离的增加而先增大后减小,最大相关系数出现在r=1.0 D_(jet)附近,地面粗糙度和射流风速对相关系数影响较小。相干函数与测点的竖向间距密切相关,径向位置和射流风速对相干函数影响较小,地表粗糙度的增加会降低近地测点的相干性。基于试验数据,建立了稳态下击暴流竖向相干函数模型,实现了与试验风场较好的吻合。

基于GA-BP神经网络和改进粒子群算法的碰撞射流和冷却顶板复合空调系统优化

对碰撞射流和辐射顶板(IJV/RC)复合空调在不同室内负荷条件下运行时的室内热环境进行数值模拟,基于遗传算法-反馈(GA-BP)神经网络建立运行性能(吹风感R_(PD),头足温差Δt,空气交换效率e ACE,工作区平均温度t_(a))与设计变量(送风温度t_(s)、送风速度v_(s)、冷却顶板内表面温度t_(c)、房间负荷Q_(c))之间的预测模型,通过相关性分析确定设计变量对运行性能影响的显著性并排序。结果表明,增大v_(s)可使Δt降低,但R_(PD)增大;增大t_(c)有助于降低Δt和R_(PD),但t_(a)升高;为使t_(a)下降,可通过降低t_(s)来实现,但室内空气质量变差。为确保IJV/RC复合空调能在保证室内热舒适的同时提供良好室内空气品质,利用改进粒子群算法对复合空调的运行性能进行多目标同时优化,建立不同房间负荷条件下的设计参量最优匹配关系。研究结果可为IJV/RC复合空调的优化设计和运行控制提供理论指导。

变径孔射流冲击冷却的流动与传热特性数值研究

采用数值方法开展了变径孔射流冲击冷却的流动与传热性能研究。设计了3种变径孔射流冲击冷却结构,即收缩孔、直孔、扩张孔。对比了不同雷诺数情况下3种孔型射流冲击冷却的流动与传热特性。分析了雷诺数和孔型对射流冲击冷却流动性能、传热性能和综合热力性能的影响。拟合得到了不同孔型冲击冷却的平均努塞尔数、压力损失系数和综合热力系数有关于雷诺数的经验关联式。结果表明:与直孔冲击冷却相比,雷诺数为6000~30 000时,收缩孔冲击冷却的压力损失系数增加了约16.67倍~21.09倍,靶面平均努塞尔数提升了约0.96倍~1.85倍;扩张孔冲击冷却的压力损失系数降低了约22.55%~33.68%,靶面平均努塞尔数降低了约5.62%~10.85%。在3种孔型中,收缩孔冲击冷却的传热性能最优、流动性能最差,直孔冲击冷却的传热性能和流动性能都处于中等水平,而扩张孔冲击冷却的传热性能最差、流动性能最好。当雷诺数小于24 000时,扩张孔冲击冷却的综合热力性能最优,其次为直孔冲击冷却,而收缩孔冲击冷却的综合热力性能最差。当雷诺数大于等于24 000时,3种孔型冲击冷却的综合热力性能很接近。研究结果可以为未来先进燃气轮机内部变径孔冲击冷却的设计提供一定的参考。

射流撞击式低压喷头设计与水力性能试验

为分散喷头主射流,提高喷头的喷洒均匀度,使喷头适用于农业低压喷灌,该研究结合射流与撞击流提出了一种射流撞击式旋转喷头。首先对比了射流撞击喷头与射流不撞击喷头的水力性能,通过正交试验分析了各结构参数值对射程和组合均匀系数的影响,得到副喷嘴结构优化参数,最后将优化后的射流撞击喷头与改进前的传统15PY2喷头进行水力性能及水滴粒径分布对比。研究结果表明,射流撞击使射程末端水量高点降低,同时射程得到提升,射程平均提升4.39%,在相同压力及组合间距下覆盖范围更大。影响喷头工作性能的结构参数依次为副喷管长度、副喷嘴进口锥角、副喷管内径、副喷嘴仰角,而副喷嘴仰角对射程与组合均匀系数影响最大,15型射流撞击喷头最佳结构参数组合为:副喷管长度20 mm、副喷嘴进口锥角55°、副喷管内径6 mm、副喷嘴仰角33°。射流撞击喷头在压力150~300 kPa下组合均匀系数和综合评分均高过传统15PY2喷头,组合均匀系数平均提升4.84%,综合性能平均提升4%,证明了射流撞击应用于旋转式喷头具有优势。在射程前中段,150和250 kPa下射流撞击喷头水滴直径更大;在射程后段,150 kPa下射流撞击喷头水滴直径更大,但在250 kPa下水滴直径更小。研究所得到的喷头结构及结论可为后续研究射流撞击对水力性能的影响提供参考。

液体射流撞壁液膜表面波形成演变机理及其影响

为揭示液体火箭发动机推力室内撞壁液膜形成演变机理,并优化液膜冷却设计,采用高速摄像技术实验研究了液体射流撞壁液膜表面波特征,考察了射流雷诺数(1255<Re<14116,1.6 m/s<u<18 m/s)和撞击距离L/d=30,60和90(d为喷嘴直径)对表面波频率、波间距及液滴飞溅的影响。结果表明,撞击点附近主要存在由射流动能引起的撞击波,高Re下液膜表面波前缘横向弯曲变形,呈现不规则锯齿状。当1960<Re<3920时,随Re的增加液膜表面波主频增大,频谱分布范围变宽。自撞击点向下游运动过程中波的主频、波速和波间距均不断减小。当撞击距离大于射流破碎长度,射流撞壁转变成连续液滴撞壁。对于连续液滴撞壁和高Re射流撞壁,表面波边缘沿壁面法线方向形成冠状薄膜,由于惯性力和表面张力的作用,薄膜破碎拉丝形成液滴,液滴溅射率随撞击距离的增加而增大。本文揭示了液膜撞击点附近大尺度波主要由射流表面扰动引起,并阐明了大部分飞溅液滴由表面波边缘薄液膜的破碎产生。

不同偏流板角度的冲击射流噪声特性

舰载机尾喷流冲击偏流板(挡焰板)产生高强度噪声。为研究不同偏流板角度对噪声的影响,在全消声室进行射流冲击实验。实验时收缩喷口直径D=56.4 mm,受冲击的偏流板长、宽均为600 mm,射流马赫数Ma=1.01。在偏流板角度β=45°、55°和65°条件下,利用传声器和流动显示对远场噪声和冲击流动进行观测。结果表明,不同冲击角度下壁面射流结构明显不同,总声压级及噪声辐射特性存在明显区别,随着冲击角度的增加,上游和下游极角总声压级分别出现上升和下降,β=65°时,下游总声压级最多降低7 dB,上游相应增加15 dB。流动和频谱结果表明下游主要受到后缘分离噪声影响,该噪声来自壁面射流从偏流板后缘分离产生的大尺度涡结构,低频占主导,并且互相关分析表明,偏流板角度越小,该噪声指向性越明显。上游噪声被冲击噪声所主导,虽然偏流板角度显著影响冲击噪声强度,但是相关分析表明,冲击噪声向各个极角辐射的指向性结构较为稳定。此外偏流板对边线形成低通高阻效应,边线噪声频谱最为陡峭,而且边线观测到的总声压级、频谱在不同冲击角度的差别均较小。本研究可为航母甲板噪声治理提供一定参考。

多结构形式小通道液冷板散热性能对比研究

小通道冷板作为一种有效的热控装置,已被广泛应用于高热流密度电子器件的热管理领域。文中以通道特征尺寸为2 mm的串行、并行以及射流冲击/小通道混合液冷板为研究对象,旨在获取这3种结构形式冷板的极限散热能力和流动阻力损失的差异。研究结果表明:在相同冷却工质流量条件下,3种冷板的散热功率由大到小依次为串行通道、射流冲击/小通道混合液冷板、并行通道;串行通道冷板的板内阻力损失明显大于其余两者;在综合考虑压力损失和散热性能的基础上,根据不同热源热流密度条件选择合适的冷板结构,有望满足特定应用的需求。该研究可供小通道液冷板的设计和优化参考。

基于IDDES方法的受限撞击流反应器流动及混合特性

采用基于SSTk-ω模型的IDDES方法对CIJR内部的流动及混合过程进行数值模拟研究,较完整地识别了流场不同区域的大尺度涡结构,探讨了涡结构的生成和演化机制。讨论涡结构对相平均温度场和热通量场的影响,揭示了混合机理。研究结果表明:2股射流向圆顶区的交替偏转导致动量不相等,射流剪切层的自持振荡伴随涡旋的周期性运动,因此驻点出现周期性偏移现象。下游发展区K-H不稳定性的发展卷起大尺度展向涡。撞击区的流向涡对混合的促进作用局限在腔室轴线附近,下游发展区的展向涡能够激发大规模的热量输运,从而有效强化混合。

不等径开放式撞击流雾化特征及二乙二醇/水体系混合研究

采用粒子图像测速技术(PIV)对不等径开放式撞击流中质量分数60%的甘油‑水溶液雾化性能进行了研究,探讨韦伯数We(51≤We≤1605)、入射速度u(2.12 m·s^(-1)≤u≤6.37 m·s^(-1))、喷嘴直径(喷嘴1:左侧喷嘴直径(D_(1))=1.5 mm,右侧喷嘴直径(D_(2))=2 mm;喷嘴2:D_(1)=2 mm,D_(2)=3 mm)对液膜破碎特征及液滴行为的影响,并对复合含能材料粘结剂溶剂二乙二醇与水混合过程的液滴分布进行了研究。结果表明:随着We增大,液膜破碎长度先增大,当液膜破碎模式到达无边缘模式后减小,且液膜厚度与液滴直径逐步减小,液滴速度逐步增大;随喷嘴直径增大,液膜破碎模式变化不显著,液膜破碎长度、厚度、液滴直径均增大,液滴速度则逐步减小。同时,拟合得到液膜破碎长度、液膜厚度、液滴索特平均直径D[3,2]与喷嘴直径、韦伯数间的经验关联式,采用二乙二醇与水体系验证后发现,随入射速度增大,二乙二醇与水撞击混合后液滴直径减小,分布变窄,D[3,2]数值在经验关联式±15%误差范围内与理论预测结果一致。

Cu/Al复合材料界面组织与性能的研究进展

Cu/Al复合材料拥有优异的导电、导热性能及良好的耐腐蚀性,被广泛应用于通讯、电力和新能源等领域。作为异种金属连接形成的复合材料,其在制备过程中最大的难点在于消除异种金属间热膨胀系数差异等物理性质引起的缺陷,且连接处的界面间组织是影响其性能的主要因素,所以对此进行研究十分重要。综述了超声波焊接、搅拌摩擦焊、爆炸焊和铸造法下Cu/Al复合材料界面金属间化合物(IMC)的种类、形成机理,同时总结了Cu/Al复合材料性能改进常用的辅助手段:在等离子焊接和真空铸造工艺中添加微量元素;在拉拔旋压、轧制和爆炸焊后进行热处理;在超声波焊接、轧制中进行电脉冲辅助。国内外研究者们还广泛应用计算机模拟技术来研究Cu/Al复合材料的界面组织和性能。采用自主研发的冲击射流复合铸造工艺成功制备出Cu/Al复合材料,界面组织为Al_(2)Cu,Al Cu和Al_(4)Cu_(9),最大结合强度为23 MPa。

局部高热流密度器件射流冲击冷板流动传热特性数值研究

为解决大功率雷达等设备中存在的局部高热流密度热管理难题,进行了大幅面、非均匀高热流密度散热技术研究,提出了一种可同时对上下两侧发热面进行冷却的嵌入式射流冲击冷板,开展了受限空间射流冲击冷却过程流动换热特性数值模拟,获得了嵌入式射流冲击冷板内部的流动换热特性,并对射流冲击距离、射流孔直径、冷板体积流量等参数对流动换热性能的影响规律进行了分析。结果表明,对尺寸为50 mm×72 mm、背景热流密度为1.2 W/cm^(2)、布置有8个3 mm×3.5 mm、125 W/cm^(2)高热流密度芯片的发热面,嵌入式射流冲击冷板的换热系数分布特点可满足局部高热流密度散热需求,且在射流冲击距离为3 mm、射流孔直径为2 mm时,综合考虑换热性能与压降后的冷板性能最佳,在冷板体积流量为5.5 L/min时,芯片最大温升为15.6℃,压降为3.917 kPa。所提嵌入式射流冲击冷板及研究结果可用于局部高热流密度器件热管理。

火箭垂直回收中发动机布局与喷流壁面效应影响研究

针对重复使用火箭垂直着陆过程的喷流流场问题开展研究,利用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法研究了壁面效应和发动机布局对超声速喷流的影响。研究表明,着陆距离(L)在2.24D~11.2D(D为喷管出口的直径)的范围内,地面效应对喷管出口中心处的温度分布影响较小;在当前计算条件下,当L<2.24D时,超声速喷流撞击地面会形成强烈的激波,随着离地高度的降低,该激波位置往喉部方向移动,由于壁面效应,喷管内部形成斜激波,导致中心喷管壁面处的温度升高;中心喷管相对外侧喷管往外突出增大了壁面流动速度,导致外侧喷管出口的温度降低;研究还表明子级火箭底部端面的喷管数量增加后,会导致喷管的温度升高。研究结果将为火箭发射及回收方案选取提供参考。

偏流板距离对亚声速射流冲击宽频噪声特性的影响

通过全消声室实验研究了不同冲击距离(L)下亚声速射流宽频噪声特性。利用远场传声器获得L=30D~2D(D为喷口直径)的噪声数据,并详细分析了频谱特性。试验结果表明,减小冲击距离:(1)上游所有频段的噪声都明显上升,极角α=120°总声压级(OASPL)在L<10D时增加了10~17 dB;(2)下游α=30°的噪声能量向低频转移,且频谱在L<10D时变化不明显;(3)偏流板产生噪声的中、高频段对边线影响较小,α=90°的频谱迅速衰减,在L<10D时形成陡峭的峰值。研究证实在噪声最强的方向(α=120°),随冲击距离的减小偏流板贡献的噪声功率占比呈线性增加。冲击距离小于势流核时,偏流板贡献大部分噪声能量,L=7D~5D时占比超过80%。另外射流冲击产生的噪声指向性明显,冲击噪声和后缘分离噪声在不同方向取得主导地位,相应频谱分别在上游和下游呈现高频主导和低频占优的特性。

射流入射角度对螺旋管传热性能的影响

为了揭示射流入射角度对螺旋管内流体传热性能的影响规律,通过数值模拟方法对无量纲曲率δ=0.0701、无量纲螺距τ=0.143的螺旋管在不同射流入射角度(α=30°~150°)下的强化传热性能进行研究。结果表明,射流的加入显著强化了螺旋管内流体的换热,在射流速比ε=4和雷诺数Re=19000~26000范围内,随着射流入射角度的增大,螺旋管壁面的平均努赛尔数Nu_(m)、周向局部努赛尔数Nu_(c)(螺旋角θ=4.5π截面)及流动阻力系数f均随之增大;当α=150°时,与单一螺旋管(未加入射流)相比,加入射流后Nu_(m)提升了13.7%以上,Nu_(c)提升了70%。在所研究的Re和ε范围内,强化传热综合性能评价因子(PEC)随着α增大而减小,但PEC均大于1(1.08~1.65);当α=30°时,在研究范围内PEC达到最大,其平均值为1.62,是单一螺旋管的1.62倍,表明此时的螺旋管具有良好的综合强化换热效果。

淹没射流冲击煤体应力模型及破煤临界条件研究

为探究煤矿水力化卸压增透瓦斯治理作业中淹没射流破煤的临界条件,首先,基于紊动射流、接触力学及动量定理等理论,建立淹没射流冲击煤体应力模型,并对其进行离散数值求解;然后,分析淹没射流冲击煤体表面应力的分布特征,进而根据最大正应力准则确定淹没射流破煤临界条件;最终,以贵州金佳矿为例,开展淹没射流破煤现场验证试验。研究表明:射流冲击区内煤体的最大主应力为轴向压应力,冲击区外煤体的最大主应力为径向拉应力;冲击区内和冲击区外煤体表面的最大主应力均呈中心对称分布,而且随径向距离的增大而降低;淹没射流破煤的临界压力和临界喷嘴直径均随煤体强度和冲击靶距的增加而增大,而且靶距越大,煤体强度对临界条件的影响越大;淹没射流能够高效破碎现场松软煤层,而硬煤需要通过非淹没射流或伴随射流条件完成破碎。

冲击射流下旋转热管砂轮冷凝器传热特性

轴向旋转热管砂轮是用于强化磨削弧区换热的新型砂轮,其冷凝器换热性能的优劣直接影响整个热管砂轮的换热性能。本文结合冷凝器设计方法设计了热管砂轮冷凝器,并借助数值模拟的方法对轴向旋转热管砂轮冷凝器的换热性能进行分析,以优化旋转热管砂轮冷凝器的结构参数。研究不同的翅片高度(f=0~8 mm)、喷嘴到翅片顶部距离(d=3~11 mm)、低温空气射流速度(v_(j)=45~115 m/s)和砂轮转速(n=150~1180 r/min)等对冷凝器换热性能的影响,结果表明:当翅片高度为6 mm时,获得最佳传热性能,对流换热表面传热系数约为459 W/(m^(2)·K),与无翅片结构相比,对流换热表面传热系数提高36%;当喷嘴到翅片顶部距离为5 mm时,换热性能最好,传热系数为459 W/(m^(2)·K);当低温空气射流速度提高时,对流换热表面传热系数随之提高,射流速度为115 m/s时对流换热表面传热系数最高,可达459 W/(m^(2)·K),与射流速度为45 m/s时相比提高43%;当砂轮转速提高,对流换热表面传热系数也随之升高,砂轮转速为1180 r/min时对流换热表面传热系数最高,达到459 W/(m^(2)·K),与150 r/min时相比提高4%。

单股射流倾斜撞壁影响因素的数值模拟

为研究倾斜射流撞击固体表面后液膜的形态变化规律,结合VOF模型和多面体混合网格的数值模拟方法,通过分析不同工况下倾斜射流撞壁后液膜的几何特征参数变化规律,获得了不同工况下液膜铺展的关键特征。研究结果表明:射流撞壁后,壁面压力从液膜的边缘水跃区到中心轴线逐渐减小;随着射流速度增大,壁面在撞击点附近受到的压力增大,而在液膜汇集区受到的压力减小;液膜在撞击点附近速度最大,在水跃区汇集点附近速度最小;随着射流孔径增大,液膜最大速度和最小速度区域的面积增大。

类火星环境中火箭起降过程喷流影响研究

采用尺度自适应模拟(Scale Adaptive Simulation,SAS)方法对火箭在起降过程中喷流的地面效应进行了数值研究,对比分析了在海平面和类火星环境下的喷流冲击倾斜地面和水平地面时的流场结构以及喷管的侧向载荷。在海平面环境下,喷管内部出现流动分离,喷管内壁压力先减小,在分离点处压力达到最低点,然后压力增加至环境压力。喷流冲击倾斜地面时具有更强烈的流动不稳定性,喷流出现明显的时间演化现象。在类火星环境下,喷管内部不发生流动分离,内壁的压力沿着流向逐渐减小。喷流冲击倾斜地面时,在喷管出口的外侧形成了上下移动的马赫盘;喷流冲击水平地面时,喷流和地面反弹气流相互作用,阻碍了马赫盘的形成。研究结果还表明在类火星环境和海平面环境下,喷流冲击倾斜地面时喷管内壁温度均上升。研究结果将为火箭回收和火星着陆的方案选取提供参考。