《流-固兩相湍流中微細顆粒影響下流動和傳熱特性的研究》是依託上海大學，由董宇紅擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：流-固兩相湍流中微細顆粒影響下流動和傳熱特性的研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：董宇紅
- 依託單位：上海大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
在負載微細顆粒的湍流中，顆粒既可以影響流動特性，也可以改變流體的傳熱特性，其間存在多場多相耦合、多尺度、隨機性和非線性的動力學機制，具有重要的科學研究意義。本項目基於Eular-Lagrange研究方法，採用直接數值模擬，研究顆粒對近壁剪下湍流的調製和對流動傳熱特性的影響，揭示顆粒調製湍流強度和強化(或削弱)流體傳熱性能的機理，探討兩相流體流動和傳熱隨顆粒物性和熱物性參數的變化規律。通過本項研究，能夠深化熱環境中顆粒-湍流相互作用機制的認識，並對其中動量、質量和熱量輸運規律做出理性分析，進而對湍流的流動阻力和對流換熱進行控制和調節。所得的研究成果可為裝備製造、微機電研製、科學測量、生物製藥等領域的研發和最佳化提供科學依據。
結題摘要
在負載微細顆粒的湍流中，顆粒既可以影響流動特性，也可以改變流體的傳熱特性，其間存在多場多相耦合、多尺度、隨機性和非線性的動力學機制，具有重要的科學研究意義。本項目基於Eular-Lagrange 研究方法，採用直接數值模擬，研究顆粒對近壁剪下湍流的調製和對流動傳熱特性的影響，揭示顆粒調製湍流強度和強化(或削弱)流體傳熱性能的機理，探討兩相流體流動和傳熱隨顆粒物性和熱物性參數的變化規律。 首先，研究了慣性細微顆粒對不同Prandtl數湍流溫度場的調製機理，研究發現顆粒抑制了湍流的各項溫度統計量（如歸一化平均溫度，溫度脈動，熱通量等）。隨著Pr數增大，湍流速度場與溫度場之間的關聯性減小，同時顆粒對湍流的熱反饋減小，這導致顆粒對大Pr數湍流的溫度場調製作用越小。另外，研究發現顆粒比熱容越大，兩相流總傳熱能力越強，主要是由於顆粒介質攜帶傳熱能力提高導致。其次，研究了不同Stokes數慣性顆粒對湍流傳熱的調製機理，研究發現隨著顆粒Stokes數的增大，顆粒對湍流擬序結構的抑制越明顯，導致近壁區以內的流體與以外的流體之間的對流換熱強度越弱。然而，隨著顆粒Stokes數增大，分子導熱能力和顆粒攜帶傳熱能力提高，導致了兩相流總傳熱能力提高。研究發現在湍流溫度脈動調製中兩相之間熱量耦合是主要的調製因素。研究也發現顆粒熱反饋熱通量主要與兩相之間熱耦合相關，兩相之間動量耦合對其影響很小。最後，研究了慣性顆粒-湍流兩相流的動力學特性和熱力學特性。發現隨著顆粒動量Stokes數的增大，顆粒湍流兩相流的流動阻力和傳熱效率減小。在相同熱Stokes數情況下，顆粒對流體的力反饋隨著顆粒動量Stokes數的增大而增大，而其熱量反饋對傳熱能力的作用則剛好相反，隨著顆粒動量Stokes數的增大而減小。結果表明，當顆粒具有相同熱Stokes數和不同動量Stokes數的情況下，顆粒對流動阻力和傳熱能力的反饋貢獻呈現出相異性。此外，本文探索了通過添加顆粒的方式同時實現減阻增熱的可能性，研究發現當顆粒減小總體流動阻力時，可以通過增大顆粒比熱容實現增加總體傳熱效率。 通過本項研究，能夠深化熱環境中顆粒-湍流相互作用機制的認識，並對其中動量、質量和熱量輸運規律做出理性分析，進而對湍流的流動阻力和對流換熱進行控制和調節。所得的研究成果可為裝備製造、微機電研製、科學測量、生物製藥等領域的研發和最佳化提供科學依據。
