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基于Darcy-Stokes耦合模型的多孔介质颗粒悬浮液等效黏性系数计算

力学学报 2021年第7期53卷 1922-1929页

作者：胡洋彭巍李德才北京交通大学机械与电子控制工程学院北京100044 清华大学摩擦学国家重点实验室北京100084

颗粒悬浮液广泛存在于自然界和工程应用领域,其黏性特征对其流动行为有着重要的影响.本文基于Darcy-Stokes耦合模型,给出了低浓度多孔介质颗粒悬浮液的等效黏性系数的计算公式.首先求解了一个辅助问题,即低雷诺数条件下线性分布的流场... 详细信息

颗粒悬浮液广泛存在于自然界和工程应用领域,其黏性特征对其流动行为有着重要的影响.本文基于Darcy-Stokes耦合模型,给出了低浓度多孔介质颗粒悬浮液的等效黏性系数的计算公式.首先求解了一个辅助问题,即低雷诺数条件下线性分布的流场中多孔介质球引起的扰动问题.自由流区域采用Stokes方程,多孔介质球内部区域采用Darcy方程,界面上则采用质量守恒条件、法向力平衡条件以及Beavers-Joseph条件或B eavers-Joseph-Saffman条件,使用待定系数法推导了自由流和多孔介质区域的流场的解析表达式.其次,依据流场解析解计算了外边界上由多孔介质球引起的附加热耗散率,确定了低浓度条件下特性黏度与达西数Da和Beavers-Joseph系数α_(BJ)的定量关系,结果发现:特性黏度随着α_(BJ)增加而增加,且α_(BJ)越大,特性黏度增加的幅度也越小;当10^(-6)≤Da≤10^(-4)时,特性黏度接近于2.5,与经典的爱因斯坦黏性公式相符.当10^(-4)≤Da≤10^(-1)时,特性黏度快速下降,因而等效黏性系数更加接近于流体本身的黏性.最后将本模型计算结果,与DarcyBrinkman模型结合界面剪切应力跳跃条件计算得到的结果进行对比,结果发现当Beavers-Joseph系数和界面应力跳跃系数之和为1时,两类模型在低达西数条件下的结果是几乎是一致的.

关键词：等效黏性系数多孔介质悬浮液达西模型斯托克斯方程

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流固共轭传热结构拓扑优化

流固共轭传热结构拓扑优化

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作者：安丽大连理工大学

学位级别：硕士

对于流固共轭传热结构,换热效果不仅取决于流道内流体与固体材料的热属性,还会受到流道形状、流速等流动特性的影响。在流体拓扑优化发展成熟之前,换热结构的优化设计往往局限于尺寸优化或形状优化,为了能够从根本上出发改善流道冷却性... 详细信息

对于流固共轭传热结构,换热效果不仅取决于流道内流体与固体材料的热属性,还会受到流道形状、流速等流动特性的影响。在流体拓扑优化发展成熟之前,换热结构的优化设计往往局限于尺寸优化或形状优化,为了能够从根本上出发改善流道冷却性能,提高优化效率,需要利用热流拓扑优化对流道结构进行设计。由于工程中的真实流动状态大部分都是湍流,而使用湍流进行拓扑优化设计计算量大,不符合概念设计阶段快速模拟和低周转时间的要求,因此需要寻找合适的替代模型进行拓扑优化设计。首先,本文实现利用达西方程模拟无粘流进行冷却流道的优化设计,研究了进行优化设计时渗透率设置与压降约束设置方法。同时使用N-S方程描述层流流动进行冷却流道设计,从优化方法适用性、收敛速度、得到结果的构型等角度对两种方法进行对比,验证了使用达西模型模拟无粘流在初始概念设计阶段作为湍流流动的替代进行冷却流道设计更适用于工程实践、更具有指导意义。在利用达西模型实现冷却流道拓扑优化的基础上,本文提出了基于超燃冲压发动机再生主动冷却系统建立拟三维物理模型进行流固共轭传热结构拓扑优化方法。将热源加至冷却流道下方的底板,由于底板与流道固体域之间为接触换热,底板与冷却流之间为对流换热,因此通过设计变量在对流换热系数与金属接触热阻之间插值来模拟流道底板与冷却流道之间由于材料分布不同而导致的这种非均匀热量输入。通过数值算例证明了方法的适用性,并讨论了压降约束对得到流道构型的影响。对拓扑优化得到的拓扑构型和现有规则流道构型进行三维建模,验证了相对于规则流道,拓扑得到流道结构在降低平均温度和减少流动损失方面的性能都得到显著提升。

关键词：流体拓扑优化达西模型流道设计流固共轭传热拟三维模型

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中空固体骨架开孔金属泡沫强制对流

中空固体骨架开孔金属泡沫强制对流

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中国力学学会学术大会'2009

作者：冯上升金东范卢天健西安交通大学能源与动力工程学院西安交通大学强度与振动教育部重点实验室

对12种具有不同孔密度和相对密度的中空固体骨架铜泡沫的微结构使用光学显微镜进行了测量,对其单孔孔径、相对密度、名义孔隙率进行了量化表征。然后将它们置于风洞中测试了其在均匀热流密度下的强制对流换热和压阻特性,并和文献实验数... 详细信息

对12种具有不同孔密度和相对密度的中空固体骨架铜泡沫的微结构使用光学显微镜进行了测量,对其单孔孔径、相对密度、名义孔隙率进行了量化表征。然后将它们置于风洞中测试了其在均匀热流密度下的强制对流换热和压阻特性,并和文献实验数据进行了对比。同时,利用

关键词：开孔金属泡沫中空固体骨架换热与流阻达西模型

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