均匀电场对池沸腾换热的影响分析

对均匀高压电场作用下平板池沸腾换热的强化效果进行了试验研究,发现在较低过热度的范围内电场对换热有明显的强化效果.场强越高,相同过热度对应的换热系数越高.在相同的场强下,强化系数随着热流密度的增加而减少.结合试验结果对电场强化沸腾换热的机制进行了分析.在热流密度较小的范围内,对流换热占主导地位,电场强化对流换热使壁面过热度大大下降,导致相应过热度下汽泡的平衡半径提高,因此,抑制了核态沸腾.随着热流密度的提高,汽泡的产生和运动成为影响换热的主要因素,此时过热度的变化不是很大,在相同的过热度下,电场可以减小汽泡的临界半径,使汽泡增多.在汽泡准备区,电场会影响汽泡的核化;在汽泡成长区,电场会影响汽泡的长大、变形和脱离;在非沸腾区,电场会影响单相流体的自然对流换热.     

纳米流体在回路型重力热管中的沸腾传热特性

对回路型重力热管蒸发段中氧化铜-水纳米流体的沸腾传热特性进行了试验,分别讨论了纳米颗粒的质量分数wCuO,工作压力p等参数对沸腾换热系数和临界热流密度的影响.结果表明：母液中添加适当浓度的纳米颗粒可以同时强化沸腾换热系数和临界热流密度;工作压力对沸腾换热系数有显著影响,而对临界热流密度的影响十分微弱;热管蒸发段的临界热流密度随wCuO的增加而增加,在wCuO>1.0%后保持稳定;而沸腾换热系数也随wCuO的增加而增加,在wCuO>1.0%后反而逐渐降低.临界热流密度强化机理主要来自于纳米颗粒在加热表面形成的吸附层;而沸腾换热系数强化与吸附层和纳米流体自身物性变化均有关系.     

Al2O3微纳米流体对向下加热面沸腾传热的影响

针对核电站严重事故压力容器外部冷却策略安全裕度不足的问题,利用平均粒径为15和500 nm的两种Al₂O₃分别制备不同质量浓度的微纳米流体作为冷却剂,通过向下加热面的池沸腾实验,对整个向下加热的沸腾过程进行了详细的研究分析.实验结果表明:纳米颗粒会影响加热表面的润湿能力,提高沸腾过程中的气泡生成率,造成更加剧烈的局部紊流;表面的沸腾传热能力随着微纳米流体质量浓度的升高而增强,在质量浓度为12 mg/L的Boehmite-Al₂O₃纳米流体工况下测得了最大临界热流密度,与反渗透水工况相比,最大临界热流密度提升了44.7%.     

芯片表面微翅片强化FC-72流动沸腾传热

为采用高效传热技术来提高芯片的冷却效率 ,保证芯片的正常工作 ,研究了不带电介质FC 72在微翅片尺寸 (厚度×翅片高 )分别为 5 0μm× 190μm ,5 0μm× 2 5 0μm ,10 0μm× 15 0μm和 10 0μm× 30 0μm的 4种强化面芯片表面的流动与沸腾传热性能 ,探讨了FC 72过冷度对沸腾传热的影响 ,并与光滑面芯片的沸腾传热性能进行了对比 .实验结果表明 ,随着FC 72过冷度的增大 ,所有实验芯片的临界热流密度增大 .强化面芯片的临界热流密度所对应的壁温低于 85℃ ,而光滑面芯片的临界热流密度所对应的壁温高于85℃ .在相同过冷度下 ,强化面芯片的最大热流密度是光滑面芯片的 7～ 9倍 ,表明微翅片结构能显著地强化不带电介质FC 72的沸腾传热     

微通道流动沸腾过程中异态相干沸腾的强化传热研究

随着电子器件的集成化和小型化,其散热量超过10 MW/m~2将成为现实,这超出了目前大功率系统中使用的单相冷却方案的上限,所以必须再次开发新的冷却方案.克服单相传热局限性的一种方法是转变为两相沸腾传热,而临界热流密度又是所有沸腾传热的上限值.因此,为了提高微通道内流动沸腾传热的临界热流密度,本文设计开发了非均匀导热性传热板.通过将两种不同导热性能的材料(铜和聚四氟乙烯)交替布置在靠近传热表面的传热板内,实现了传热表面的非均匀温度分布和异态相干沸腾模式(核态沸腾与膜态沸腾共存且相互干涉的状态).同时搭建了微通道流动沸腾实验系统,其微通道截面尺寸为1.84 mm×70.00 mm,通道长度为280.0 mm,传热板表面尺寸为10.0 mm×10.0 mm,流体工质为去离子水.在不同入口流速v=0.1 m/s、0.2 m/s、0.4 m/s和不同过冷度DT_(sub)=10.0 K、20.0 K、30.0 K条件下,研究了非均匀导热性传热板在微通道流动沸腾中的传热强化效果.结果表明,相对于单纯的核态沸腾状态,异态相干沸腾状态能够有效地提升流动沸腾传热的临界热流密度.此外,改变入口流速和过冷度对临界热流密度有明显影响且趋势相同,减小入口流速和过冷度都会增大临界热流密度的提升比例.在本文的实验条件范围内,在水的流速v=0.1 m/s、过冷度DT_(sub)=10.0 K的条件下,实现了最高约43.4%的临界热流密度提升比例.     

喷雾冷却沸腾传热强化试验

随喷雾流量及过热度增加,热流密度增大,但热表面中心干涸区变大、液膜覆盖区减小,表面利用率降低,传热性能有提升空间。基于此,通过改变单喷嘴高度、设计微孔阵列喷嘴两种途径,探讨热表面液膜均匀性和喷雾冲击强度对传热的影响规律。结果表明单喷嘴高度存在最佳值(4 mm),此时热表面无干涸区,喷雾冷却沸腾传热性能最强;与喷嘴高度6 mm相比,在喷雾流量为50 mL/min、过热度为20 K时,热流密度提高了13%;微孔阵列喷嘴形成的液膜分布更均匀,使得表面温度也较均匀,当过热度大于10 K,微孔阵列喷雾传热性能更优,比上述工况下单喷嘴的热流密度提高16%。强烈冲击的均匀薄液膜是决定喷雾冷却沸腾传热的关键,为进一步强化喷雾冷却沸腾传热提供了可行的方向。     

喷雾冷却沸腾传热强化试验

随喷雾流量及过热度增加,热流密度增大,但热表面中心干涸区变大、液膜覆盖区减小,表面利用率降低,传热性能有提升空间。基于此,通过改变单喷嘴高度、设计微孔阵列喷嘴两种途径,探讨热表面液膜均匀性和喷雾冲击强度对传热的影响规律。结果表明:单喷嘴高度存在最佳值(4 mm),此时热表面无干涸区,喷雾冷却沸腾传热性能最强;与喷嘴高度6 mm相比,在喷雾流量为50 mL/min、过热度为20 K时,热流密度提高了13%;微孔阵列喷嘴形成的液膜分布更均匀,使得表面温度也较均匀,当过热度大于10 K,微孔阵列喷雾传热性能更优,比上述工况下单喷嘴的热流密度提高16%。强烈冲击的均匀薄液膜是决定喷雾冷却沸腾传热的关键,为进一步强化喷雾冷却沸腾传热提供了可行的方向。     

用淬冷法确定饱和液氮中的池沸腾热流密度曲线

用直径为５０ｍｍ、厚度为１２ｍｍ的铜平板在液氮中进行了不同热面方位角的淬冷沸腾实验,各方位角为θ＝０°（热面向下）、１０°、２０°、３０°、５０°和９０°（热面垂直）;随着方位角的增加,临界热流密度、最小膜态沸腾热流密度及其壁面过热度相应地增加,且在方位角θ＜３０°时,θ对上述参数的影响更大;得出ｑＣＨＦ、ｑｍｉｎ与方位角的关系式．     

EHD强化微细槽道沸腾传热实验研究

在横截面为2 mm×2 mm的微细槽道内,以去离子水为工质,对EHD强化微细槽道饱和沸腾换热进行实验研究,得出不同的外加高压电场作用下,饱和沸腾段的热流密度与平均壁面过热度的关系曲线,分析外加电压对饱和沸腾传热系数的影响.研究结果表明,外加高压电场能在一定程度上强化微细槽道饱和沸腾传热,为探索EHD强化微细槽道饱和沸腾传热机理提供了一定的依据.     

特厚钢板阵列射流淬火的表面换热

采用特厚钢板专用辊式射流淬火试验装置和多通道钢板温度记录仪,测试出射流速度3.39~26.8 m·s-1、雷诺数12808~117340、水流密度978.7~6751.5 L·(m2·min)-1条件下,84 mm厚钢板淬火冷却曲线;进而基于反传热修正方法计算高温钢板淬火过程壁面温度和热流密度,描绘出沸腾曲线,分析多束圆孔阵列射流对特厚钢板淬火表面换热的影响.结果表明:射流速度、水流密度等参数影响钢板表面射流滞止区和平行流区换热机制,进而影响最大热流密度分布.射流速度较低时,壁面平行流区观察到混合换热和"热流密度肩"现象;随射流速度增大,膜沸腾换热机制消失,最大热流密度移至较低壁面过热度处.相关研究将对特厚钢板淬火过程温度场计算和组织性能调控提供有益的帮助.     

加热面尺寸对饱和池沸腾换热性能的影响

为揭示加热面尺寸对饱和池沸腾换热性能的影响,对8种不同尺寸光滑硅片表面在FC-72中的池沸腾换热性能进行了实验研究,通过高速相机观察了不同热流密度下各尺寸硅片表面的气泡动力学行为,分析了加热面尺寸对汽泡成核、脱离特性和换热系数的影响。结果表明,自然对流区内,相同热流密度条件下加热面尺寸越大,硅片对液体的热对流扰动越小,壁温越高且换热系数越小;随热流密度增大,换热面周边最先产生汽泡,大尺寸换热面与绝热胶的接触周长更大,产生的缺陷和凹坑能捕捉更多气体,因此率先进入核态沸腾。核态沸腾区内,小尺寸加热面汽泡脱离直径小、脱离频率高,换热性能好。高热流密度范围内,大尺寸表面的汽泡脱离直径和脱离频率随热流密度增大而迅速增大,表面换热增强。临界沸腾点时,换热系数随加热面尺寸的增加呈先增大再减小最后缓慢增大的变化趋势。     

纳米流体对临界热流密度强化影响池沸腾实验研究

为探究采用纳米流体作为冷却剂时,下朝向临界热流密度(critical heat flux,CHF)的强化效果和不同粗糙度表面的临界热流密度强化特性。实验制备了4种纳米流体,利用扫描电镜和纳米粒度分析仪分别检测纳米颗粒粒径和基液中颗粒分散状况。试验段采用316不锈钢钢板,以恒电流控制电加热方式进行常压下朝向水平0°池沸腾实验。实验结果表明:体积分数为0.001%的二氧化钛纳米流体的临界热流密度强化效果最为明显,约为61%;表面粗糙度(Ra)在0.086~1.765μm时,临界热流密度强化效果随Ra增加而降低,当Ra达到2.287μm时,所对应的CHF强化效果出现增加趋势。     

低温流体微重力池沸腾气泡脱落特性研究

研究微重力下的气泡动力学行为及其脱落特性是揭示微重力下流体沸腾换热机理的基础,而气泡处于空间复合弱力环境下,表现出不同于常规的特殊现象。以微重力下平板加热面上氢沸腾气泡为对象,展开了受力分析,考虑到Marangoni效应的影响,构建了受力平衡模型,进一步计算并分析了不同重力、压力、流体过冷度、壁面过热度下的气泡脱落直径。研究结果表明,当重力降低至某一临界值后,沸腾气泡存在3个不同尺度的脱落直径,且重力水平越低,气泡最大脱落尺寸越大,直径最大可达几十厘米。在常重力下,沸腾气泡仅存在0.01~0.1mm量级的脱落直径,压力对常重力与微重力下气泡脱落直径的影响差异显著,随着压力的升高,常重力气泡脱落直径不断减小,而微重力下最大气泡脱落直径有所增大;在微重力下,流体温度越低则过冷度越大,因此气泡最大脱落直径也越大,液氢过冷度每提高1K,最大气泡脱落直径增大约10%。当重力一定时,存在临界壁面过热度,且只有当壁面过热度超过该临界值时,沸腾气泡才会存在3个脱落直径。当压力越高、流体温度越低时,该临界过热度越小。     

平板滞止区内水-氧化铜纳米流体的喷流沸腾传热特性

对高温平板滞止区内水-氧化铜纳米流体圆形喷流冲击沸腾的核态沸腾特性和临界热流密度(CHF)进行了系统的稳态实验研究,考察了纳米颗粒质量分数、流速、过冷度等系统条件对喷流沸腾和CHF的影响,建立了预示核态沸腾的经验型方程.研究结果表明:水基纳米悬浮液的喷流沸腾换热特性与水相比大幅度降低,但CHF有较大增加;沸腾特性的变化主要来源于传热面表面特性的变化.     

过冷核态池沸腾的分形模型

本文提出过冷核态池沸腾热传递的分形模型,根据加热表面活化点的分形分布得到了过冷核态池沸腾热流密度的表达式.从该模型中发现过冷流动沸腾热流密度是壁面过热度、流体的过冷度、流体的接触角与流体物理特性的函数关系,并且没有增加新的经验常数.对不同的过冷度,模型预测的结果与实验数据进行了比较,两者是极好的吻合.     

高温平板上过冷水喷流冲击沸腾传热的最小热流密度点

运用两相流边界层理论，对高温平板上过冷水自由喷流沸腾传热曲线最小热流密度点所对应的稳定蒸汽层内蒸汽极限流动条件进行了理论假定，得到了计算最小热流密度点热流密度和壁面过热度的半理论式．公式系数利用现有实验数据拟舍得到．研究发现，最小热流密度与壁面过热度、喷流雷诺数的平方根成正比，而与喷流直径成反比．最小热流密度点的壁面过热度基本只与水过冷度线性相关．半理论半经验式能较好地预示实验结果．     

V形凹槽对微通道流动沸腾临界热流密度的影响

运用VOF模型和用户自定义函数,对水在0.2 mm×20.0 mm微通道内的流动沸腾过程进行数值模拟,分析V形凹槽的槽深与开口宽度之比h/R、凹槽数量n对水在微通道中临界热流密度的作用.结果表明:入口水温T_(in)=369.00 K,流速v=0.2 m·s~(-1)的工况下,凹槽数量一定(n=30),h/R(R=0.02 mm)不同,微通道对应的临界热流密度有所差异;h/R分别为1,2,3,4时,相应的临界热流密度为400,375,500,450 kW·m~(-2),h/R=3时,对应的临界热流密度最高(500 kW·m~(-2));h/R为定值(h/R=3)时,增加凹槽数量可以提高临界热流密度,n分别为30,90和150时,对应的临界热流密度为500,525,575 kW·m~(-2);在一定条件下,采用适当的凹槽结构(h/R=3)、增加凹槽数量可以提高微通道流动沸腾的临界热流密度,有利于维持流动沸腾换热的可靠性.     

圆形液体浸没射流冲击核沸腾传热的实验研究

以R113为工质,通过实验系统研究了圆形浸没射流冲击下射流出口速度、喷嘴直径、喷嘴至冲击板距离、液体流动方向及过冷度等对核沸腾传热曲线及临界热流密度的影响.结果表明:同一过冷度下的池核沸腾和冲击核沸腾曲线可以用统一的关联式来表达;提出的过渡沸腾传热表达式可以很好的用来关联实验数据;而临界热流密度随着速度增加及离驻点距离的减小而提高.     

交错排列柱状微结构表面池沸腾换热实验研究

为了进一步提高交错排列柱状微结构表面的换热性能,通过改变柱状微结构中心距和形状以提高表面换热系数及临界热流密度。以FC-72为工质,对不同的交错排列柱状微结构硅片在3种过冷度(15、25、35K)下进行了池沸腾换热实验研究,并与同工况下光滑表面硅片的结果进行了对比。通过干腐蚀技术在硅片表面加工出宽×高为30μm×60μm、30μm×120μm的方柱微结构,中心距分别为45、60、75μm,以及直径为38μm、中心距为60μm、高度分别为60μm和120μm的圆柱微结构。实验结果表明,临界热流密度和沸腾换热系数并非随中心距的增大呈现出单调增或减的规律。中心距为45μm的表面在核态沸腾区具有更高的换热系数,而对于高度为60、120μm的方柱微结构,临界热流密度最高的分别是中心距为60μm的表面(54.6 W/cm~2)和中心距为120μm的表面(60.72 W/cm~2)。当方柱中心距与边长之比大于等于2时,增大中心距对临界热流密度影响很小,最大增加了2%;当方柱中心距与边长之比小于2时,增大中心距对临界热流密度有显著影响,最大增加了14%。当换热面积相同时,圆柱微结构的换热性能要好于方柱微结构,并且临界热流密度相比于方柱微结构表面和光滑表面分别最大提高了13%和124%。另外,临界热流密度随着过冷度的增大而增大,同时沸腾起始点有所滞后。     

双模态过渡池沸腾实验研究

利用控制加热电压和加热面平均温度两种方法,实验研究了常压（0．1MPa）、室温（16℃）条件下除气后的R113在直径60μm细铂丝表面的池沸腾传热现象,观测了单相对流、核态沸腾、双模态过渡沸腾和膜态沸腾4种传热模式中的汽相分布及其传热特征,发现充分发展的核态沸腾传热曲线、膜态沸腾传热曲线及临界热流的数值分别与文献中常用关联式的预测一致,而核态沸腾和膜态沸腾共存的稳定双模态过渡沸腾曲线被一极小值点分为两个连续分支,邻近膜态沸腾的右支上热流与过热度成正比,而邻近核态沸腾的左支上热流则随过热度增长而下降,并且只出现在加热面平均温度受控的实验中．