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金属流体速度的阵列探针测量方法研究

实验力学 2023年第1期38卷 37-46页

作者：张祥飞阳倦成吕泽张年梅中国科学院大学工程科学学院北京101408 西安交通大学航天航空学院机械结构强度与振动国家重点实验室陕西西安710049

不透明液态金属的速度测量在电磁冶金和核能领域具有十分重要的作用,能为相关现象的解释提供直接的数据支持。以电磁学中的欧姆定律为基础,搭建了一套多探针阵列的金属流体速度测量系统。通过设计探针的排布形式、数据采集系统和数据处... 详细信息

不透明液态金属的速度测量在电磁冶金和核能领域具有十分重要的作用,能为相关现象的解释提供直接的数据支持。以电磁学中的欧姆定律为基础,搭建了一套多探针阵列的金属流体速度测量系统。通过设计探针的排布形式、数据采集系统和数据处理方法,以磁场环境下圆柱绕流问题为实验对象,实验验证了探针插入和排布方式对测量结果的影响,结果表明探针插入流体与探针紧贴壁面所测量得到的速度误差约为5%,而探针排布方式引起的测量误差为2.5%~10%。另外,实验中还发现阵列探针伸入到流体中不影响其对金属流体非定常波动频率的测量,流场的波动频率也不会受到周围探针的影响。

关键词：金属流体电势探针磁流体动力学磁场流场测量

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液态金属热对流典型流动结构实验研究

中国科学院大学学报（中英文） 2023年第2期40卷 155-164页

作者：程有基陈新元阳倦成倪明玖西安交通大学航天航空学院机械结构强度与振动国家重点实验室西安710049 中国科学院大学工程科学学院北京100049

通过搭建长宽高比为1∶1∶2的实验方腔,系统性地研究低普朗特数(0.03)的镓铟锡合金在有/无磁场作用下所产生的热对流结构。实验中上下铜板的温差由2个恒温水浴来实现,通过在铜板上布置测温探头测量温度,在方腔侧壁布置超声波探头实现对... 详细信息

通过搭建长宽高比为1∶1∶2的实验方腔,系统性地研究低普朗特数(0.03)的镓铟锡合金在有/无磁场作用下所产生的热对流结构。实验中上下铜板的温差由2个恒温水浴来实现,通过在铜板上布置测温探头测量温度,在方腔侧壁布置超声波探头实现对液态金属内部速度分布的测量。实验获得了3种典型的流动结构,无磁场环境下液态金属的流动在空间上呈现大尺度环流,靠近冷热端液态金属的温度无序波动,且速度分布符合热湍流的基本特性,为流动结构Ⅰ。当施加水平磁场,磁场极大地抑制对流运动,出现稳定的单涡胞运动结构,即流动结构Ⅱ和振荡的双涡胞运动结构,即流动结构Ⅲ。随后通过对3个不同测量位置的速度分布进行详细分析,深入解析水平磁场存在下的这2种流动结构的典型特征。

关键词：热对流液态金属磁流体力学单涡胞运动振荡双涡胞运动

水平磁场对液态金属准二维Rayleigh-Benard对流的影响的实验研究

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水平磁场对液态金属准二维Rayleigh-Benard对流的影响的实验研究

第十二届全国流体力学学术会议

作者：曹炎武阳倦成倪明玖西安交通大学航天航空学院机械结构强度与振动国家重点实验室中国科学院大学工程科学学院

随着液态金属在聚变领域的应用逐步实现,液态金属热对流的研究越来越得到关注。在液态金属的准二维Rayleigh-Benard对流实验中,我们采用热敏电阻测温技术研究了宽高比Γ=0.2(126×126×25.2 mm)的方形装置中的有无磁场下的传热特性,流...

随着液态金属在聚变领域的应用逐步实现,液态金属热对流的研究越来越得到关注。在液态金属的准二维Rayleigh-Benard对流实验中,我们采用热敏电阻测温技术研究了宽高比Γ=0.2(126×126×25.2 mm)的方形装置中的有无磁场下的传热特性,流动特征及无磁场下的温度边界层的特征。实验中的液态金属采用低熔点的镓铟锡合金,Pr≈0.03,Ra的测量范围为3.57×10≤Ra≤2.51×10,施加的水平磁场沿装置的宽度方向,Q的测量范围为6.35×10≤Q≤2.28×10(2.52×10≤Ha≤1.51×10)。我们发现液态金属准二维热对流在无磁场下并不存在反转现象,在测量的Ra区间内,Nu的波动呈现先增大后减小的趋势,在整个Ra测量区间中,符合Nu=(0.1589±0.0151)Ra(0.2622±0.0061))。同时,我们也对液态金属热对流中的温度边界层进行了测量,温度边界层的厚度随着Ra的增大而减小,但与水不同的是,水中的温度均方根随位置的变化仅存在一个峰值,而液态金属中存在两个峰值,液态金属中反常的流动结构导致了第二个峰值,不同位置羽流信息表明,羽流的强度和数目在温度边界层附近都达到峰值,在温度均方根的第二个峰值处,羽流的强度明显增强,再次达到峰值,但羽流的数目并没有明显增多。施加了水平磁场之后,其传热性能整体显著下降,但在局部区域内传热性能随着Ha的增加呈现先增后减的趋势,另外,水平磁场下的液态金属准二维热对流存在三种流动状态的转变,随着Ra的增加,流动状态由稳定的大尺度流动转变为振荡的大尺度流动,最终转变为混乱的冷热羽流垂直下降上升的状态。稳定的大尺度流动转变为振荡的大尺度流动的临界Ra符合理论预测Q～Ra。

关键词：

来源： cnki会议评论

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黏弹性流体基纳米流体流变学特性

化工学报 2014年第S1期65卷 199-205页

作者：阳倦成徐鸿鹏李凤臣哈尔滨工业大学能源科学与工程学院黑龙江哈尔滨150001

黏弹性流体基纳米流体(viscoelastic fluid based nanofluid,VFBN)是一种具有湍流减阻和对流换热相对强化特性的新型换热工质,其湍流减阻机理与流变学特性关系密切。通过对以2.5×10-3、5×10-3、1×10-2三种质量分数的十六烷基三甲基... 详细信息

黏弹性流体基纳米流体(viscoelastic fluid based nanofluid,VFBN)是一种具有湍流减阻和对流换热相对强化特性的新型换热工质,其湍流减阻机理与流变学特性关系密切。通过对以2.5×10-3、5×10-3、1×10-2三种质量分数的十六烷基三甲基氯化铵/水杨酸钠水溶液为基液,粒子体积分数为0.1%、0.25%、0.5%、1.0%的铜纳米流体的剪切黏度、零剪切黏度以及松弛时间的测量,实验结果表明VFBN有明显的剪切稀变特性,同时纳米粒子的添加增大了基液的零剪切黏度,并导致基液黏弹性增强。以Giesekus本构模型为理论基础,利用实验参数得到了描述VFBN剪切黏度的实验关联式。

关键词：纳米流体黏弹性流体界面流变学剪切黏度实验关联式纳米粒子黏度

细长椭球体在水中自由下落的运动特性实验研究

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力学学报 2020年第3期52卷 716-727页

作者：詹军张杰阳倦成倪明玖西安交通大学航天航空学院机械结构振动与强度国家重点实验室西安710049 中国科学院大学工程科学学院北京100049

固体颗粒在液体中的运动现象在日常生活和工业应用领域广泛存在,其中因蕴含着丰富的流体力学现象而受到学者们的广泛关注.本文通过实验研究了细长椭球体在水中受浮力影响的下落特性.实验中采用带有两台相互垂直的高速摄像机和光源组成... 详细信息

固体颗粒在液体中的运动现象在日常生活和工业应用领域广泛存在,其中因蕴含着丰富的流体力学现象而受到学者们的广泛关注.本文通过实验研究了细长椭球体在水中受浮力影响的下落特性.实验中采用带有两台相互垂直的高速摄像机和光源组成的运动跟踪平台并结合荧光染色技术对细长椭球体下落过程中的运动轨迹和尾涡结构进行研究.文中选用的细长椭球体与环境流体的密度比为1.2,其长短轴比范围为2~10,相应的阿基米德数范围为400~1400,对应实现的终态雷诺数范围为120~1350.实验过程中我们观察到细长椭球体在水中下落过程中产生的5种典型路径,分别为:小振幅不规则运动、小振幅高频振荡运动、大振幅低频振荡运动、高度非线性运动以及直线运动,并得到了对应的速度振荡以及倾斜角的演化规律.进一步地,分析了细长椭球体运动过程中受到的阻力系数与雷诺数之间的关系.随后采用荧光可视化技术清晰获得了颗粒下落过程中的尾涡结构特性,并结合颗粒的运动状态详细分析了涡脱落过程对颗粒运动状态转捩的影响.最后,通过对比前人关于圆柱体下落的运动特性的相关结果,获得了细长椭球体和细长圆柱体运动特性之间的异同点以及其潜在的物理机理.

关键词：尾迹不稳定性细长椭球体运动追踪系统尾涡结构

镓铟锡液滴撞击泡沫金属表面的运动学特性研究

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力学学报 2019年第2期51卷 380-391页

作者：尚超阳倦成张杰倪明玖西安交通大学航天航空学院机械结构强度与振动国家重点实验室西安710049 中国科学院大学工程科学学院北京100049

常温下为液态的镓铟锡合金以其优异的导热性能在具有特殊要求的传热领域有着重要的应用价值,与传统流动介质相比较大的表面张力使得其产生的流动现象必有所区别.本文研究镓铟锡所形成的液滴撞击泡沫金属表面后所产生的铺展、回缩及回弹... 详细信息

常温下为液态的镓铟锡合金以其优异的导热性能在具有特殊要求的传热领域有着重要的应用价值,与传统流动介质相比较大的表面张力使得其产生的流动现象必有所区别.本文研究镓铟锡所形成的液滴撞击泡沫金属表面后所产生的铺展、回缩及回弹现象.采用高速相机拍摄液滴投影轮廓随液滴运动的变化过程,并通过图像处理获得不同撞击速度、底板表面孔径下的液滴铺展系数、中心位置轮廓高度以及液滴回弹后在空中的振动特性.研究结果表明:具有较高表面张力的镓铟锡液滴的铺展系数随无量纲时间的变化在铺展初始阶段仍满足常规流体的1/2次幂关系,只在铺展后期与底板的无量纲孔径有关系;液滴的最大铺展系数在较小无量纲孔径底板大于在光滑镍板,且随底板无量纲孔径增大而逐渐减小;在回弹过程,由于底板孔隙结构的存在使得液滴回弹后在空中的振动呈现3种形态:规则的横向和纵向振动、带旋转的横向和纵向振动以及旋转振动;最后,通过对振动频率的拟合和分析,进一步拓展了传统振动频率理论公式在非规则振动过程预测中的应用.

关键词：金属液滴泡沫金属底板铺展系数回弹形状振动

宽高比为0.5的液态金属Rayleigh-Bénard对流流动结构实验研究

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宽高比为0.5的液态金属Rayleigh-Bénard对流流动结构实验研究

粘弹性流体Taylor-Couette流动不稳定现象研究

第十二届全国流体力学学术会议

作者：陈新元阳倦成倪明玖西安交通大学航天航空学院机械结构强度与振动国家重点实验室中国科学院大学工程科学学院

热对流现象在自然界中十分常见,如大气对流对于气候的影响,地幔对流对于板壳运动的影响等。而液态金属热对流主要集中在工业领域,常见的有电磁冶金中的热对流现象。目前对于液态金属热对流的研究更多集中在核聚变领域,特别是聚变反应堆...

热对流现象在自然界中十分常见,如大气对流对于气候的影响,地幔对流对于板壳运动的影响等。而液态金属热对流主要集中在工业领域,常见的有电磁冶金中的热对流现象。目前对于液态金属热对流的研究更多集中在核聚变领域,特别是聚变反应堆中包层结构需要长时间在强磁场,极高温等极端条件下运行,因此研究其内部的液态金属对流运动就显得很有必要。本文采用液态金属GaInSn作为实验流体,研究其在宽高比(Γ=D/H)为0.5的方腔容器内的对流运动,Ra数范围为3.2×10≤Ra≤7×10,磁场强度为0.025T≤B≤0.5T。在无磁场条件下,根据容器壁面局部温度,结合离散傅里叶变化(DFT),可以提取不同高度上流动方向以及强度信息,进而判断出流动大致结构。结果表明,在没有磁场时,流动会出现扭曲结构(Twisted LSC)和稳定大尺度结构(LSC)两种状态,两种状态间传热效率之差可以达到25%,并且其Nu数与Ra数呈现出三种不同的标度关系。而在均匀水平磁场作用下,磁流体动力学效应(MHD)会抑制对流,并根据不同Ra数和Ha数产生以下五种流动状态:(Ⅰ)稳定单涡(SSR),其平面与磁场方向垂直;(Ⅱ)稳定双涡(SDR),存在上下堆叠的两个涡;(Ⅲ)振荡单涡(OSR),涡平面出现绕容器中心轴顺时针或逆时针旋转;(Ⅳ)振荡双涡(ODR),上下两个涡绕容器中心轴出现同向旋转或逆向旋转;(Ⅴ)混沌流动(CF),流动呈现出无规律的振荡。结合不同流动状态下温度与速度信息,对每种状态特性尤其是传热特性进行定量分析,并给出状态之间的临界条件。

关键词：

来源： cnki会议评论

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粘弹性流体Taylor-Couette流动不稳定现象研究

作者：阳倦成哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

流动不稳定性问题一直以来都是流体力学研究的中心问题。Taylor-Couette(T-C)流动装置以其结构简单、存在封闭流动系统并能产生丰富的不稳定流态等优点,成为实验和理论研究不稳定现象及流动转捩的经典装置。本文以T-C流动为基础,从实验... 详细信息

流动不稳定性问题一直以来都是流体力学研究的中心问题。Taylor-Couette(T-C)流动装置以其结构简单、存在封闭流动系统并能产生丰富的不稳定流态等优点,成为实验和理论研究不稳定现象及流动转捩的经典装置。本文以T-C流动为基础,从实验和数值模拟两个方面来研究牛顿流体和粘弹性表面活性剂(十六烷基三甲基氯化铵,简称CTAC)水溶液所产生的惯性和弹性不稳定现象,以得到产生流动不稳定现象的临界参数以及从层流到湍流转变过程中的各种不稳定流动形态,并分析产生流动不稳定现象的机理。在实验方面,首先自行设计了符合实验要求的两种不同内外径比的T-C流动实验台,并以这一实验台为基础,对牛顿流体(蒸馏水)、50ppm CTAC水溶液、200ppm CTAC水溶液和1000ppm CTAC水溶液分别应用高速摄像机进行大量流动可视化的实验研究。对于蒸馏水而言,得到了其在T-C流动中惯性诱导不稳定现象的临界Re数、不同Re数下的不稳定流态图以及处于不稳定状态时T-C流动中Taylor涡的波长和Re数及内外径比的关系;对于不同浓度的CTAC水溶液而言,得到了其在T-C流动中产生的由弹性诱发的不稳定现象的临界Wi数以及变Wi数或不变Wi数时的流态变化时序图。在数值模拟方面,通过编程对添加弹性应力的二维柱坐标系下的Navier-Stokes方程进行直接求解,采用较为优越的Kurganov-Tadmor格式对描述粘弹性流体弹性应力和变形的本构方程中的对流项进行求解,解决了对流项容易发散的问题,并应用多重网格提高了数值模拟的计算速度。对实验中的蒸馏水和1000ppm CTAC水溶液进行了流动不稳定现象的直接数值模拟(DNS)研究,得到了产生不稳定现象时的速度场和压力场以及实验测量中无法得到的粘弹性流体变形场在整个流场中的分布情况,从定量上研究了惯性和弹性不稳定现象。DNS的结果与实验相应工况结果基本一致,这充分说明了实验和数值模拟的结果是可信的。最后,基于实验和数值模拟的结果,分析了产生惯性不稳定现象和弹性不稳定现象的机理,对实验和数值模拟可能存在的误差进行总结,并给出了今后继续对流动不稳定现象研究的方向。

关键词： Taylor-Couette流动惯性不稳定弹性不稳定直接数值模拟

三维Kolmogorov流动弹性湍流直接数值模拟研究

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工程热物理学报 2011年第6期32卷 973-976页

作者：张红娜李凤臣蔡伟华阳倦成李小斌哈尔滨工业大学能源科学与工程学院黑龙江哈尔滨150001

黏弹性流体弹性湍流现象是在极低雷诺数下(惯性效应可以忽略),完全由流体弹性引起的复杂湍流现象,在此条件下牛顿流体处于层流流态。该现象不仅具有与惯性湍流类似的一些特征,还具有其独特的特性,此外,其诱发机理与惯性湍流完全不同。... 详细信息

黏弹性流体弹性湍流现象是在极低雷诺数下(惯性效应可以忽略),完全由流体弹性引起的复杂湍流现象,在此条件下牛顿流体处于层流流态。该现象不仅具有与惯性湍流类似的一些特征,还具有其独特的特性,此外,其诱发机理与惯性湍流完全不同。为了更深刻地认识弹性湍流特性及其产生机理,本文基于三维Kolmogorov流动采用直接数值模拟研究了该现象,包括弹性湍流流场及变形场特性,并在此基础上分析了其产生机理。

关键词：黏弹性流体弹性湍流 Kolmogorov流动直接数值模拟