中国科学院大学学报

白飞龙, 景青, 周致富, 王锐, 杨涛, 陈斌

2017, 34 (2): 129-134. DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2017.02.001

摘要 ( 352 ) HTML ( ) PDF (1720KB) ( 2006 )

气体与液体双流体喷雾的工业应用已较为成熟，三流体喷雾作为一种较新的喷雾方式，目前工业应用与相关研究均较少。针对一种三流体雾化喷嘴，搭建喷雾与测试实验台，利用高速摄像仪与相位多普勒粒子测试仪（PDPA）对三流体喷嘴甘油、水与压空雾化特性进行研究。探讨分析气液质量比（ALR）对液滴直径与速度的影响，以及直径与速度轴向与径向空间分布特性。研究发现当ALR范围为0.327~0.518时，液滴直径随ALR变化较小。液滴直径与速度空间分布极不均匀，喷嘴出口附近存在液滴直径随轴向距离增加而快速下降与液滴加速现象。此外，不同喷雾轴向距离下，中心部位的液滴比喷雾边缘更细小。

不凝结气体对蒸汽浸没射流压力振荡的影响

从跃磊, 王迎春, 陈伟雄, 种道彤, 严俊杰

2017, 34 (2): 135-140. DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2017.02.002

摘要 ( 310 ) HTML ( ) PDF (2825KB) ( 1758 )

通过实验研究不凝结气体（空气）对蒸汽浸没射流压力振荡特性的影响。结果表明：不凝结气体存在时压力振荡强度比纯蒸汽浸没射流时明显减小。随空气质量分数的增加，压力振荡峰值的位置沿轴向后移。过冷水温低于45℃时，峰值随空气质量分数的增加而增大；高于50℃时，随空气质量分数的增加而减小；水温在45~50℃之间时，峰值大致相同。压力振荡主频随空气质量分数、蒸汽质量流率和过冷水温度的增加而减小。

极不均匀热负荷下腔式吸热器受热面流量和壁温分布的试验研究

郝芸, 王跃社, 胡甜, 魏宇青

2017, 34 (2): 141-145. DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2017.02.003

摘要 ( 299 ) HTML ( ) PDF (2766KB) ( 1322 )

由于镜场辐射投射到吸热器受热面上同一目标点（即单点聚焦），造成塔式太阳能腔式吸热器受热面热负荷呈现时间和空间分布的不均匀现象，导致系统工质流量分配特性恶化。搭建用于模拟蒸发受热面水动力特性的试验装置，利用低电压大电流变压器加热，得到各管流量分配及壁温分布规律。从试验角度弥补了腔式吸热器受热面的水动力特性研究的空白，有利于实现腔式吸热器向大容量、高效率、规模化方向发展。

稀疏气固两相槽道湍流中颗粒受力的理论和数值分析

李振中, 魏进家, 宇波

2017, 34 (2): 146-152. DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2017.02.004

摘要 ( 448 ) HTML ( ) PDF (1625KB) ( 1460 )

从理论分析和数值计算两个方面对稀疏气-固两相湍流中的颗粒所受的各种相间力的相对大小进行研究。颗粒受力由Basset-Boussinesq-Oseen方程描述，同时考虑剪切升力和旋转升力。研究结果表明，在相间力的计算公式适用范围内，通过频率分析和量级分析确定各相间力的相对大小具有较高的准确度。从颗粒所受各相间力随时间变化的模拟结果来看：除拖曳力和重力外，在主流和翼展方向上，Basset力比较重要；而在壁面法向上，拖曳力、剪切升力和Basset力均比较重要。

气液螺旋环状流界面波失稳机理

刘莉, 白博峰

2017, 34 (2): 153-159. DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2017.02.005

摘要 ( 287 ) HTML ( ) PDF (1574KB) ( 1418 )

为揭示气液螺旋环状流界面波失稳机理，基于经典的Kelvin-Helmholtz不稳定性理论，利用双流体模型，建立螺旋涡流作用下界面波的动力学模型。通过求解界面波色散方程，给出界面失稳的准则并进行理论验证。研究表明，界面波的增长特性决定于气动力、离心力和表面张力的相互作用。其中，不同气液动压相对大小条件下，离心力对界面波稳定性存在三重影响。基于此准则条件，系统分析气流速度、旋流强度及管径对界面波增长特性的影响规律。

横向气流中环状流射流液膜的破碎与雾化

盛刚浩, 张海滨, 赵中闯, 刘心仕

2017, 34 (2): 160-165. DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2017.02.006

摘要 ( 325 ) HTML ( ) PDF (2829KB) ( 1521 )

针对环状流射流液膜在横流中破碎与雾化过程开展实验研究。研究发现，从宏观雾化形态看，环状流射流在横流中可以实现稳定的雾化；实验给出横流作用下环状流射流轨迹无量纲关联式。采用高速摄影技术对横流中环状流射流液膜破碎与雾化瞬态过程进行捕捉，发现环状流射流液膜雾化过程具有周期性和不连续性；不同环状流状态下液膜在横流中雾化机制有较大差异；增大射流表观气速能有效提升雾化效果。

NaCl溶液静态闪蒸瞬态传热特性的实验研究

王朝阳, 张丹, 杨庆忠, 王宇, 严俊杰

2017, 34 (2): 166-171. DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2017.02.007

摘要 ( 261 ) HTML ( ) PDF (2356KB) ( 1329 )

对NaCl溶液静态闪蒸过程的瞬态传热特性进行实验研究。实验中NaCl溶液质量分数为0~0.26，初始液膜高度为0.1~0.4 m，初始过热度为1.5~40℃。结果表明：在不同的闪蒸时期，过热度大小对瞬态传热系数的影响不同。闪蒸的前期瞬态传热系数随着过热度的增加而减小；在闪蒸后期开始阶段，瞬态传热系数随着过热度的增加而增大；在闪蒸后期末尾阶段，过热度对瞬态传热系数影响不明显。瞬态传热系数的峰值随着初始液膜高度和浓度的增大而减小。在实验范围内给出瞬态传热系数的实验关联式，与实验值吻合良好。在闪蒸过程中，瞬态传热系数的大小显著影响沸腾形态的变化规律。

温度对静电除尘器内颗粒受力影响的数值模拟

毕文剑, 李艳, 罗坤, 樊建人

2017, 34 (2): 172-178. DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2017.02.008

摘要 ( 471 ) HTML ( ) PDF (2250KB) ( 1685 )

应用计算流体力学方法对高温下的线板式静电除尘器进行数值模拟，建立综合考虑温度场、电场、流场和颗粒动力场的多场耦合模型。采用有限体积法对计算域进行离散进而求解电场，采用欧拉-拉格朗日方法求解气固两相流动。研究温度对于静电除尘器内颗粒受力的影响。结果表明：随着温度的升高，颗粒所受的静电力减小而Saffman升力、布朗力和曳力均增大；曳力随温度的增加速率比静电力变化快，这可能是导致高温下除尘效率降低的原因。

空气质量响应曲面模型在杭州市的应用

戴志翔, 胡诗玮, 罗坤, 高翔, 樊建人, 岑可法

2017, 34 (2): 179-185. DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2017.02.009

摘要 ( 346 ) HTML ( ) PDF (2068KB) ( 2855 )

基于CMAQ模拟结果，统计、归纳出各种污染物排放控制因子与污染物浓度之间的函数关系，建立空气质量响应曲面模型RSM，通过留一法交叉验证和外部验证对模型进行可靠性验证。使用RSM，研究不同污染物的PM_2.5响应值，评估现有政策不变（Ⅰ）和政策收紧（Ⅱ）两种减排情景，发现NO_X、SO₂、NH₃和VOC对PM_2.5浓度体现明显的非线性响应特征，情景Ⅱ的减排效果明显好于情景Ⅰ，夏季的减排效果好于冬季。

三维电容层析成像多电极激励模式的稳定性分析

毛明旭, 叶佳敏, 王海刚, 张娇龙

2017, 34 (2): 186-190. DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2017.02.010

摘要 ( 280 ) HTML ( ) PDF (2788KB) ( 1314 )

三维电容层析成像（3D ECT）一般基于单电极测量模式。构建一个3层ECT传感器，研究多电极激励测量模式在3D ECT中的稳定性，包括单电极激励、同层相邻双电极激励和不同层双电极激励。利用Landweber迭代算法重建图像，以相关系数作为图像质量评价标准，研究在不同数据噪声水平下，激励测量方式对重建图像的质量和稳定性的影响。根据数据模拟结果，对3种激励测量模式的稳定性进行评价。

湍流作用下空化泡的动力学分析和溃灭瞬间自由基产量计算

陶跃群, 蔡军, 刘斌, 淮秀兰

2017, 34 (2): 191-197. DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2017.02.011

摘要 ( 244 ) HTML ( ) PDF (1774KB) ( 1704 )

基于Gilmore空化泡动力学方程，考虑液体黏性、表面张力、可压缩性、水分子扩散及导热影响，建立湍流作用下孔板空化器下游流场的空化泡动力学模型。采用四阶龙格-库塔法对该空化泡动力学模型进行数值求解，再现空化泡沿流动方向的生长、溃灭和反弹过程。采用基于稳态平衡假设的FactSage软件，以数值求解获得的空化泡内温度、压力和水分子数作为输入参数，计算和分析溃灭瞬间空化泡内的分解产物尤其是具有强氧化性的羟基自由基产量。

颗粒-流体密度比对两相流动不稳定性影响的格子-Boltzmann方法模拟

刘国栋, YIN Xiaolong, 王帅, 陆慧林, 张亚男

2017, 34 (2): 198-203. DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2017.02.012

摘要 ( 268 ) HTML ( ) PDF (2953KB) ( 1197 )

采用格子-Boltzmann方法模拟周期性边界计算域内的颗粒流化。计算采用的流化系统Archimedes数为1 432，对应于颗粒终端Reynolds数为30。研究模拟颗粒浓度为25% ，颗粒-流体密度比为2~1 000时，密度比对流体-颗粒流动不稳定性的影响。密度比的范围对应由液固到气固的两相流动。颗粒与颗粒之间的碰撞采用弹性碰撞。研究获得颗粒平均速度、速度方差、偏度及峰度随密度比变化的规律。结合结构因子的分析，因密度比变化使颗粒-流体流动由稳定转变为不稳定的过程中颗粒速度特性变化与聚团形成的关系被确定，也确定了不稳定流动产生时所对应的密度比范围。

双组分颗粒团聚过程中组分混合程度的预测

赵翰卿, 徐祖伟, 赵海波

2017, 34 (2): 204-209. DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2017.02.013

摘要 ( 312 ) HTML ( ) PDF (1862KB) ( 1291 )

多组分颗粒凝并是颗粒长大过程的主要物理机制之一。对于双组分凝并，混合程度χ为一重要衡量标准，是预测组分分布的关键参数。针对双组分颗粒团聚的非稳态过程研究混合程度随时间的变化关系，采用颗粒群平衡模拟异权值快速Monte Carlo方法，进行模拟，最终预测出χ与初始条件的关系，得到自由分子区布朗凝并与连续区布朗凝并的指数形式预测公式，并进行验证，从而可以通过合理选择初始参数，优化控制组分分布和实现颗粒定向功能制备。

矩形截面纤维流场压降及细颗粒扩散捕集效率

黄浩凯, 赵海波

2017, 34 (2): 210-217. DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2017.02.014

摘要 ( 218 ) HTML ( ) PDF (2212KB) ( 1338 )

采用格子波尔兹曼气固两相流模型模拟扩散机制下矩形纤维捕集颗粒过程，研究纤维周围流场压降和扩散捕集效率随不同纤维布置方式的变化规律。把模拟得到的值（系统压降与捕集效率）与相同体积分数的圆柱纤维所对应的理论值相比，得到相应比例系数。分析规律，并采用Levenberg-Marquardt方法对其进行处理，得到相应比例系数的拟合公式。根据已有的圆形纤维压降与扩散效率的理论公式，再结合求得的拟合公式，对不同工况下的矩形纤维系统压降和扩散捕集效率进行计算。分析结果发现：矩形纤维系统压降与放置角度和长宽比均相关；而扩散捕集效率与长宽比成正比，与放置角度基本无关。

转速对三维滚筒内颗粒混合特性的影响

张紫薇, 葛良, 桂南, 李振林, 杨阳

2017, 34 (2): 218-225. DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2017.02.015

摘要 ( 226 ) HTML ( ) PDF (3395KB) ( 1357 )

借助开源软件OpenFOAM中的离散元方法软球模型，分别模拟5种典型转速下三维滚筒内的碳球颗粒混合过程。分析研究滚筒内颗粒流态随时间的演化过程，展示不同颗粒流态下的颗粒混合结构特性。借助信息熵和新的混合指数，即差值函数，定量地研究滚筒转速对颗粒混合特性的影响。

气液两相间歇流管道蜡沉积实验研究

高歌, 吴海浩, 全青, 宫敬, 王玮

2017, 34 (2): 226-231. DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2017.02.016

摘要 ( 259 ) HTML ( ) PDF (2767KB) ( 1199 )

采用含蜡模拟油和空气为实验介质，利用蜡沉积实验环道，研究间歇流流型下气、液相折算速度和温度对蜡沉积速率的影响，并结合高温气相色谱探讨沉积物碳数分布的变化规律。结果如下：在间歇流流型下，沉积物分布在整个管壁内，且形状随气、液两相折算速度的变化而变化；平均蜡沉积厚度随着气相折算速度的增大而减小，随液相折算速度的增加先增后减；固定管壁温度不变，平均蜡沉积厚度随着油温的增加先增加后减小；固定油温不变，蜡沉积量随着壁温的增加逐渐减少；气液相流速的增大均会导致沉积物的硬度增大（表现为沉积物碳数分布的变化）。

空气-水段塞流冷却传热与相界面分布实验研究

王鑫, 董传帅, 张晓凌, 岳晓庆, 何利民

2017, 34 (2): 232-236. DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2017.02.017

摘要 ( 242 ) HTML ( ) PDF (2183KB) ( 1066 )

针对海底油气管道的散热问题搭建水平气液两相段塞流换热实验装置。研究冷却液温度4℃条件下无相变冷却过程段塞流的换热特性。实验中采用双平行电导探针、热电偶、热电堆等多种测量手段对冷却条件下段塞流的流动和传热参数进行测量。给出对流换热系数与流动界面分布参数变化规律，表明管道上下壁面由于传热不均存在显著的温差。结果还表明，段塞流对流换热系数受气相表观流速影响较小，流体与下壁面之间的对流换热明显强于与上壁面之间的对流换热。

电容电导传感器油水两相流含率测量

吴昊, 谭超, 董峰

2017, 34 (2): 237-243. DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2017.02.018

摘要 ( 302 ) HTML ( ) PDF (2314KB) ( 1429 )

在油水两相流测量中，利用电容传感器和电导传感器在含率测量上有不同的敏感范围，设计一种电容电导传感器，使用电子开关实现两种测量方法的快速切换，使其在相同敏感场内测量。新型电容电导传感器实现了对水平管道内低电导率水（自来水）组成的油水两相流的全含率范围的测量，利用快关阀进行标定，其含率测量误差小于±5% 。

气态进料直接甲醇燃料电池的二维数值模拟

谢旭, 邓豪, 焦魁

2017, 34 (2): 244-250. DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2017.02.019

摘要 ( 235 ) HTML ( ) PDF (2498KB) ( 1113 )

基于多相流理论，建立被动式气态甲醇进料碱性阴离子交换膜直接甲醇燃料电池的二维两相非等温模型，研究电池内部的质量传输和电化学现象。在模型中，液态甲醇蒸发形成蒸汽，通过由Nafion膜与疏水的多孔介质复合而成的材料进入电池。模型考虑气体传输层（VTL）和微孔层（MPL），在VTL的两侧对称地开两个微孔，便于CO₂的外排。讨论不同CO₂开口大小对电池性能的影响和MPL的疏水性对电池内部水分布以及性能的影响。

微小颗粒在多孔介质中运移的实验研究

雷海燕, 崔明杰, 戴传山, 李琪

2017, 34 (2): 251-258. DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2017.02.020

摘要 ( 339 ) HTML ( ) PDF (2718KB) ( 1307 )

以地热砂岩回灌中存在的物理堵塞问题为研究背景，开展微小颗粒在含水多孔介质内运移特性的渗流实验研究。通过圆管中填充玻璃珠构造多孔介质实验段，搭建含微小颗粒流体在多孔介质圆管内的渗流特性实验台。对比研究颗粒直径d_p分别为12.96和22.81 μm、多孔介质平均粒径D_p分别为408.9和659.2 μm、含颗粒流体质量浓度在0.3~2.0 g/L范围下，颗粒在多孔介质界面处及内部各段沉积的影响规律。实验结果表明：当d_p=12.96 μm时，颗粒在多孔介质内部的沉积量远大于在界面处的沉积量；当d_p=22.81 μm，流体浓度C<0.3 g/L时二者相差不大；C>0.5 g/L时颗粒在介质内部的沉积量小于界面处沉积量，且二者差值随着流体浓度的增大而增大，说明此时"筛滤"作用产生。研究结果可为下一步的数值模拟提供实验验证。

细颗粒物撞击荷电液滴的研究

左子文, 王军锋, 霍元平, 许荣斌

2017, 34 (2): 259-264. DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2017.02.021

摘要 ( 204 ) HTML ( ) PDF (2994KB) ( 1265 )

利用设计的实验装置研究了颗粒和颗粒微团受静电力牵引撞击荷电液滴过程。研究发现：部分颗粒到达荷电液滴表面后出现撞击反弹现象，当撞击角小于85°时，接近50% 的颗粒发生反弹；颗粒微团由于结构松散在撞击荷电液滴后发生解体，大部分子颗粒被排斥反弹。部分体积较大的颗粒微团由于吸收过量空间电荷导致极性与荷电液滴一致，受库仑斥力作用在接触液滴表面以前发生逃逸。细颗粒物出现反弹、解体以及逃逸等二次飞散现象明显降低荷电液滴对细颗粒物的捕集效率。

起伏管道空管投油气液两相流动的数值模拟

张欣雨, 谢静, 宇波

2017, 34 (2): 265-272. DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2017.02.022

摘要 ( 226 ) HTML ( ) PDF (2552KB) ( 1565 )

输油管道的空管投油是复杂的气液两相管流过程。在地形起伏较为剧烈的地区，管道内复杂的流动状况对投产安全造成威胁，研究其水力规律具有重要意义。采用数值模拟方法，建立起伏管道模型对起伏管道的气液两相流进行模拟，并用软件对管段流场进行实时监控，研究不同类型管道中气液两相流动规律及其影响因素。

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