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EHD/脉动流混合强化传热换热器的传热与阻力特性实验研究

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热能动力工程 2014年第3期29卷 256-261,341页

作者：杨侠刘丰良熊卉杨清武汉工程大学机电工程学院湖北武汉430073

以水为工质,实验研究了EHD(电场)与脉动流对单管换热器内的传热与阻力特性影响。实验中,电压值设定为0-40 kV,脉动流频率f=1、2、3 Hz,脉动流幅度A=1,脉动流条件下的管内时均流量q=0.1-0.5 m3/h。实验结果表明:管程脉动流单独作用时,同... 详细信息

以水为工质,实验研究了EHD(电场)与脉动流对单管换热器内的传热与阻力特性影响。实验中,电压值设定为0-40 kV,脉动流频率f=1、2、3 Hz,脉动流幅度A=1,脉动流条件下的管内时均流量q=0.1-0.5 m3/h。实验结果表明:管程脉动流单独作用时,同一流量条件下,f增加时传热系数α无明显变化,即脉动流单独作用对圆管传热强化作用不显著;EHD单独作用能显著强化传热,电压相对较小时,α增长缓慢,当电压U>30 kV时α较快增长,但随着电压的继续增加渐趋平缓,α最大提高0.12倍;脉动流和EHD具有一定的复合作用,f对有电场强化条件下的α有较大影响,尤其是当U>30 kV时,f越大,相同电场强度下管程α越大,对应的α最高可提高约0.25倍;EHD/脉动流混合作用时,随着Re的增大,管程阻力系数λ逐渐降低,并且在相同的Re情况下,脉动强化措施下的λ要明显高于无脉动情况;同一Re条件下,同频率工况时,电压的增大与否,对λ的改变并无影响,即阻力损耗主要来源于脉动流的作用,而电场对此的影响较小。

关键词： EHD 脉动流混合强化对流换热

混合强化材料的损伤演化律及内时损伤本构方程

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重庆大学学报（自然科学版） 1996年第3期19卷 1-8页

作者：高芝晖陈斌范镜泓重庆大学工程力学系

在Ｇｕｒｓｏｎ理论基础上，通过对空洞模型的分析，推导出各向同性／运动混合强化材料的损伤演化和弱化函数的表达式，并将其嵌入内时本构框架，得到了损伤弹塑性大变形内时本构方程。编制了相应的轴对称有限元分析程序，用其分析圆柱... 详细信息

在Ｇｕｒｓｏｎ理论基础上，通过对空洞模型的分析，推导出各向同性／运动混合强化材料的损伤演化和弱化函数的表达式，并将其嵌入内时本构框架，得到了损伤弹塑性大变形内时本构方程。编制了相应的轴对称有限元分析程序，用其分析圆柱拉伸试件的颈缩，得到与实验较为吻合的结果。

关键词：损伤演化损伤本构方程混合强化材料

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T型微混合器内混合强化的数值模拟

应用数学和力学 2016年第3期37卷 301-310页

作者：肖水云李鸣杨大勇南昌大学机电工程学院南昌330031 南昌大学信息工程学院南昌330031

为了研究不同混合强化方式对微混合的影响,采用有限元法对T型微混合器内增加壁面非均匀Zeta电势的主动式混合以及嵌入肋板的被动式混合进行了数值模拟.对比分析了3种T型微混合器内流场、速度场和浓度场的分布,并研究了不同T型微混合器... 详细信息

为了研究不同混合强化方式对微混合的影响,采用有限元法对T型微混合器内增加壁面非均匀Zeta电势的主动式混合以及嵌入肋板的被动式混合进行了数值模拟.对比分析了3种T型微混合器内流场、速度场和浓度场的分布,并研究了不同T型微混合器内溶液混合效率与Re和Sc之间的关系.研究结果表明,两种溶液的混合效率随着Re和Sc的增加非线性减小,且减小趋势变缓;嵌入肋板的被动式T型微混合器内的混合效率沿水平微通道方向上存在较大的波动;增加壁面非均匀Zeta电势的主动式T型微混合器内的混合效率沿水平微通道方向上的波动较小,且这种波动在高Re或低Sc时会被抑制.Re对混合方式的强化效果也有很大的影响.当Re较小时,增加壁面非均匀Zeta电势的主动式混合能更好地提高溶液的混合效率,但当Re较大时,嵌入肋板的被动式混合的混合效果更好.

关键词： T型微混合器混合强化电渗流混合效率

电场/脉动流混合强化传热换热器的流动与传热特性研究

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电场/脉动流混合强化传热换热器的流动与传热特性研究

作者：刘丰良武汉工程大学

学位级别：硕士

电场强化传热,又称作EHD强化传热,是将电场基本理论引入到传热学领域,通过流场、热场和电场之间的协同作用达到强化传热的一种技术方法,现有的研究认为,电场强化传热效果好、功耗低、应用范围广,是一门极具发展前景的强化传热技术;脉动... 详细信息

电场强化传热,又称作EHD强化传热,是将电场基本理论引入到传热学领域,通过流场、热场和电场之间的协同作用达到强化传热的一种技术方法,现有的研究认为,电场强化传热效果好、功耗低、应用范围广,是一门极具发展前景的强化传热技术;脉动流作为非稳态流的一种,是指流体的速度或压力以正(余)弦函数变化的周期性振荡流动,现有研究认为,管内脉动流中存在速度环效应,在一定条件下,脉动流能有效提高对流换热效率。当前电场强化与脉动流强化传热技术一直以来被作为不同的强化传热手段分别进行研究,本课题提出将两种强化传热技术相结合的研究思想,将具有自主专利技术的电场强化换热器模型与脉动流发生器相结合,有效地将电场／脉动流强化方式组合起来,这种混合强化传热思路新颖,如若能产生复合强化传热效果,则有望开辟强化传热的新领域,对于节约能源和缓解能源短缺具有重要的意义。本文采用数值模拟和实验研究的方法对混合强化传热换热器进行流动与传热特性的研究。实验数据和数值计算结果显示,脉动流单独作用下,管程对流换热系数无明显变化,脉动流单独作用对对流换热无明显强化作用;单独电场强化作用时,随着电压的增大,传热系数有一定幅度的增长,传热系数在低电压区域(0-25kV)增长缓慢,在高电压区域(25-35kV)增长较快。实验数据和数值计算结果显示,电场和脉动流同时作用时,传热系数在单独电场强化作用的基础上会得到进一步的提高,脉动流频率f对有电场条件下的对流换热有较大的影响,脉动频率越大,相同电场强度下管程对流换热系数也越大,这表明脉动流与电场可以相互影响,从而在传热方面达到一种复合强化效果。实验数据显示,单独施加脉动流时,换热管内压降随雷诺数的增大而逐渐增大,并呈近似线性关系,且在高频率脉动流条件下(f=3Hz),压降随雷诺数变化较快;脉动流/电场混合作用时,在相同的管内流速下,压降随着脉动频率的增加而增大,而压降随着电极电压的增大近似趋于不变。实验数据显示,脉动流/电场混合作用时,随着雷诺数的增大,阻力系数逐渐降低,并且在相同雷诺数的情况下,脉动强化措施下的阻力系数要明显高于无脉动情况;在脉动流和电场混合作用下,强化传热评价因子E随着雷诺数的增大而逐渐减小,且在雷诺数Re>4000后,部分脉动频率下的强化传热评价因子E开始小于1.0,频率户1时的强化传热评价因子最高达2.6(U=30kV, Re=1418)

关键词：电场脉动流混合强化数值模拟实验研究

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仿生学柔性反应器的流体混合强化

仿生学柔性反应器的流体混合强化

作者：张广达苏州大学

学位级别：硕士

柔性反应器是一类基于仿生学设计的用于高粘性流体的混合装置。通过模拟机械驱动柔性反应器壁面,可以实现反应器的流体的混合。但是目前的混合效率仍然有限,提高柔性反应器对高粘度流体的混合效率是一个急需解决的问题。本研究在柔性反... 详细信息

柔性反应器是一类基于仿生学设计的用于高粘性流体的混合装置。通过模拟机械驱动柔性反应器壁面,可以实现反应器的流体的混合。但是目前的混合效率仍然有限,提高柔性反应器对高粘度流体的混合效率是一个急需解决的问题。本研究在柔性反应器内部引入柔性构件用于强化柔性反应器的混合效率。在柔性反应器壁面引入柔性挡板,研究了高粘度牛顿流体(1200 m Pa.s)的混合行为。其中使用可视化方法观察了隔离区的结构改变,使用混合曲线比较了混合效率的变化。结果显示,在挤压角度为90°,柔性挡板能够强化反应器混合效率,并且挤压深度为2.5cm和挤压频率为1.00 Hz时,隔离区消失,混合时间减少了34.3±2.5%。随着挡板数量的增加混合效率提高。同样在柔性反应器底部放置竖直的弹性硅胶棒(弹性棒),通过弹性棒运动对周围流体产生扰动,强化流体混合。研究了弹性棒的位置和高度及柔性反应器系统的最大挤压深度和频率对流体混合行为的影响。结果表明:弹性棒的放置能够使柔性反应器内隔离区结构改变,混合时间减少。弹性棒位置靠近挤压头一侧时,对混合效率的强化最明显。当弹性棒高度低于柔性反应器内液面时,弹性棒高度增加,强化效果增加。超过液面之后,继续增加弹性棒高度,强化效果没有进一步增加。当弹性棒靠近挤压头、高度超过液面且最大挤压深度为2.5cm,与没有弹性棒时相比混合时间减少了57%。在其它实验条件不变的前提下,最大挤压深度增加,强化效果增加。

关键词：混合时间混合强化仿生反应器层流

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考虑混合强化准则的GTN损伤模型

考虑混合强化准则的GTN损伤模型

作者：刘文涛北京交通大学

学位级别：硕士

GTN (Gurson-Tvergaard-Needleman)损伤模型能从细观层面形象地模拟钢材韧性破坏过程。然而,该模型是基于理想弹塑性模型提出的,无法描述钢材在低周往复荷载作用下的包辛格效应。本文参考前人研究成果,在经典GTN损伤模型理论中加入等向... 详细信息

GTN (Gurson-Tvergaard-Needleman)损伤模型能从细观层面形象地模拟钢材韧性破坏过程。然而,该模型是基于理想弹塑性模型提出的,无法描述钢材在低周往复荷载作用下的包辛格效应。本文参考前人研究成果,在经典GTN损伤模型理论中加入等向强化准则和随动强化准则,通过编制ABAQUS有限元软件的UMAT子程序,在ABAQUS软件中实现了考虑混合强化准则的GTN损伤模型。利用低周往复加载下的单胞模型、体胞模型和文献算例测试,验证了所编UMAT子程序的有效性。单胞模型测试从概念上论证了所编UMAT子程序不仅能够定性模拟钢材韧性破坏过程,亦能反映钢材屈服后再加载过程中屈服面的膨胀与移动;体胞模型测试验证了所编GTN模型UMAT子程序中孔洞体积分数演化趋势正确。文献算例测试则表明所编UMAT子程序计算量值正确,可用于实际问题。应用所编UMAT子程序模拟多种建筑钢材制成的光滑和缺口试件低周往复加载试验,研究了加载过程中GTN模型孔洞体积分数f的演化规律,比较了不同网格尺寸和损伤参数对缺口试件始裂点的影响。相比ABAQUS软件Combined模块,所编UMAT子程序能够反映钢材因微孔洞引起的损伤累积,实现缺口试件的始裂预测,但将单向拉伸材性试验识别的GTN模型损伤参数及低周往复加载试验识别的混合强化参数直接组合应用时,预测结果与试验数据相差较大。孔洞体积分数f在低周往复加载初期呈阶梯状上升,但当基体累积等效塑性应变达到一定值后,孔洞形核部分不再增长,f随孔洞长大部分波动变化,并增大至材料最终破坏时的孔洞体积分数fF,缺口试件形成裂缝。网格尺寸减小,试件的始裂点提前出现,但当网格细化到一定程度时,可以忽略其对始裂点的影响。相对于初始孔洞体积分数fO,形核孔洞体积分数fN、材料最终破坏时的孔洞体积分数fF对缺口试件始裂点的影响较为明显,增大fF会延缓始裂点的出现,增大fN会加速始裂点的出现。

关键词：混合强化 UMAT子程序低周往复加载试验数据始裂预测

以水为工质的EHD与脉动流混合强化对流传热数值研究

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石油和化工设备 2011年第11期14卷 23-25页

作者：杨侠毛志慧吴艳阳张涛武汉工程大学机电工程学院湖北武汉430073

对EHD及脉动流在换热圆管中的混合作用进行了数值模拟。模拟结果表明,EHD与脉动流对对流换热具有一定的复合强化作用,无电场情况下,脉动流单独作用对圆管中的对流换热没有明显的影响,加入电场后,脉动流能够在EHD强化换热的基础上提供额... 详细信息

对EHD及脉动流在换热圆管中的混合作用进行了数值模拟。模拟结果表明,EHD与脉动流对对流换热具有一定的复合强化作用,无电场情况下,脉动流单独作用对圆管中的对流换热没有明显的影响,加入电场后,脉动流能够在EHD强化换热的基础上提供额外的传热增益,对流传热系数增益幅度在2.7%左右,增益效果受脉动幅度影响显著,但几乎不受脉动频率的影响。

关键词： EHD 电场脉动流混合强化对流传热

往复流式柔性生物反应器混合特性及转化过程强化

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往复流式柔性生物反应器混合特性及转化过程强化

作者：赵晨坤重庆大学

学位级别：硕士

生物质能源作为一种清洁高效的可再生能源,具有显著的节能减排效益,有望在未来成为化石燃料的重要替代品。在生物质的转化利用过程中,通常需要在高生物质浓度条件下进行,以保证较高的产物浓度,降低后期产物分离及纯化的成本,提高整体流... 详细信息

生物质能源作为一种清洁高效的可再生能源,具有显著的节能减排效益,有望在未来成为化石燃料的重要替代品。在生物质的转化利用过程中,通常需要在高生物质浓度条件下进行,以保证较高的产物浓度,降低后期产物分离及纯化的成本,提高整体流程的经济可行性。然而,随着生物质浓度的增加,体系中的自由水含量会急剧下降,导致催化剂与底物之间的传质阻力增大,这不仅会降低底物与催化剂之间的可及性,还会导致产物局部积累,转化率降低。混合可以使传质阻力显著降低,增加底物与催化剂之间的可及性,进一步减少催化剂的用量,同时加强物质传递,防止产物局部积累,降低产物抑制,促进反应的正向进行,提高产物的产率和转化速率。本文基于仿生学思想,根据自然界中能够高效降解生物质的昆虫及草食性动物消化道的特点,提出了一种仿生肠道往复流式柔性生物反应器,以实现高浓度生物质底物高效的混合,消除混合死区,提高转化速率。并通过可视化实验,研究了柔性往复流式柔性生物反应器强化混合机理,探究了不同反应器参数及流体物性对柔性反应器混合性能的影响规律。在此基础上,实验研究了分别具有ABTS(2,2-联氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二铵盐)氧化反应、淀粉水解反应和木质纤维素水解反应的往复流式柔性生物反应器内传递及转化特性。取得的主要研究成果如下:(1)随着往复流频率、软管长度及最大膨胀直径的增加,柔性反应器混合性能增强并趋于恒定。往复流频率从8 cpm增加到12 cpm,混合时间降低了75%;最大膨胀直径从41 mm增加到46 mm时,混合时间降低了58%;软管长度从2.2 cm增加到3 cm时,混合时间降低了53%。膨胀体积的改变是柔性反应器混合性能改变的主要因素,最大膨胀直径和软管长度对柔性反应器混合性能的影响可以由膨胀体积统一表征。对于高粘度流体工质,柔性反应器比刚性管式反应器混合性能更好。(2)ABTS氧化反应的实验结果表明,在液相反应条件下,当流体粘度不随反应进行而变化时,工质粘度越高,混合性能越差,相同时间内的ABTS转化率越低;提高往复流频率能够增强混合,有效提高ABTS转化速率,ABTS转化率提高。此外,漆酶浓度越高,ABTS转化速率越快,混合对ABTS转化速率的影响更显著,反应速率提高1倍,在相同的流体粘度下,往复流频率对转化速率的影响提高了20倍以上。(3)淀粉水解反应的实验结果表明,在液相反应条件下,反应初始阶段,随着反应的进行,工质的粘度降低;此时,增加往复流频率可以有效增强流体混合,从而提高淀粉初始水解速率。但随着反应的进行,淀粉水解导致流体粘度迅速下降,反应器内流体混合均匀性增加,反应速率加快,流体初始粘度和往复流频率对淀粉转化率的影响显著降低。此外,相比于柔性反应器,在往复流式刚性反应器中,流体粘度的增加使刚性反应器的混合性能减弱,反应器内麦芽糖浓度分布显著不均匀,明显影响了淀粉水解速率。(4)粒径分布为在20～200μm,浓度为2.5%w/v和5%w/v的木质纤维素浆液在往复流式柔性生物反应器中,在8 cpm的往复流频率下,就可以保持木质纤维素浆液混合均匀的状态。在8 cpm的往复流频率下,往复流式柔性生物反应器木质纤维素浆液的糖浓度在前30min急剧增加并在2 h左右达到稳定,反应器内葡萄糖和木糖分布均匀,葡萄糖产率达到75%,木糖产率达到27%。在8 cpm的往复流频率下,反应器的混合性能已经达到木质纤维素转化的需求,进一步提高往复流频率使得流体内的剪切力增大,影响了酶的活性,使得木质纤维素的糖产率略有降低。

关键词：仿生生物质柔性反应器往复流混合强化

粘弹性流体微通道内弹性不稳定流动及其强化混合应用研究

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粘弹性流体微通道内弹性不稳定流动及其强化混合应用研究

作者：黎永耀哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

粘弹性流体是一种典型的非牛顿流体,相较于普通牛顿流体,除了粘性外,其独特地具备弹性效应。这种弹性作用使其具有如非零正应力差、额外的弹性非线性作用等特性。其中,弹性非线性作用在微尺度流动中更加显著并可能诱发弹性不稳定流动。... 详细信息

粘弹性流体是一种典型的非牛顿流体,相较于普通牛顿流体,除了粘性外,其独特地具备弹性效应。这种弹性作用使其具有如非零正应力差、额外的弹性非线性作用等特性。其中,弹性非线性作用在微尺度流动中更加显著并可能诱发弹性不稳定流动。粘弹性流体多孔介质孔隙通道内的流动是典型的微尺度流动,这种流动广泛地存在于自然界以及工业生产中,如采油工程、生物工程和化工过滤等。粘弹性流体在多孔介质孔隙通道中可发生不稳定流动。前人采用理论、实验和数值模拟方法对这种流动进行过研究,但受限于实验方法和计算模拟手段,对其不稳定流动特性和机理的研究并不完善深入。同时,利用这种不稳定流动,可以设计简单的微通道实现流动高效混合,其在生物检测、化工合成、量子点生产等方面具有很好的应用潜力。因此,本文将对粘弹性流体二维均质多孔介质内流动开展数值模拟研究,基于其不稳定流动的认识设计一种简单的微通道芯片,实现混合强化,并对其流动混合开展可视化实验和数值模拟研究,探讨粘弹性流体微通道内不稳定流动及其混合强化机理。首先,本文基于Open Foam建立了微通道内粘弹性流体流动及混合数值模拟方法,对二维均质多孔介质孔隙通道内粘弹性流体流动进行直接数值模拟,并分别从瞬态和统计流动特性以及聚合物大分子产生的弹性应力对流动现象影响进行分析,结果发现,粘弹性流体随着韦森贝格数Wi的增大,其流态由层流转变成不稳定流动,并且该不稳定流动由弹性主导,弹性作用于流动中使得粘弹性流体在孔隙微通道内出现与惯性不稳定流动不同的行为。其次,本文基于粘弹性流体在二维均质多孔介质模型内弹性不稳定流动的现象,设计了一种简单的微通道,实现微通道内流动混合强化。同时,结合荧光显微镜和高速相机建立了微通道内流动混合可视化实验系统,并基于该系统对设计的微通道进行流动混合可视化实验。结果表明相较于牛顿流体,粘弹性流体在低Re数下可产生不稳定流动,其混合效率较牛顿流体有显著的增长,最大可达86%。最后,为进一步理解这种不稳定流动及混合强化机理,对该通道内流体流动混合过程进行数值模拟研究。计算结果与实验非常吻合,结果表明,粘弹性流体在微通道内产生了不稳定流动,强烈的对流作用促使流体在流动中混合,实现混合强化,并从能量输运角度对弹性不稳定流动进行机理探究。

关键词：粘弹性流体微通道多孔介质弹性不稳定流动混合强化