相变乳状液热物性及关键影响因素研究

潜热型功能热流体是一种新颖的储传热介质, 其表观比热和传热能力比水大, 在换热强化和能量输运领域有广泛应用. 相变乳状液是潜热型功能热流体的一种. 测定了相变微粒的粒径、乳状液粘度、表观比热和相变潜热, 并探讨了不同关键因素(制备方法、乳化剂掺混比、温度和相变材料质量含量等)对热物性的影响. 研制的相变乳状液粘度值明显小于文献值.     

气液两相系统非平衡相变过程的定压比热研究

以空气-水蒸气-水组成的两相流混合物为例, 应用两相流及热物理理论, 推导了有相变的两相流系统非平衡过程的定压比热计算式, 并应用相应的数值模型进行计算, 同时与平衡相变过程的结果进行了比较. 计算结果表明, 在蒸发过程中, 初始的流场温度越高, 颗粒半径越小, 质量分数越大, 定压比热变化得越快. 比较平衡过程的定压比热, 在每一时刻, 平衡过程的值要高于非平衡过程.     

汽液两相系统非平衡相变过程的定压比热研究

以空气-水蒸气-水组成的两相流混合物为例,应用两相流及热物理理论,推导了有相变的两相流系统非平衡过程的定压比热计算式,并应用相应的数值模型进行计算,同时与平衡相变过程的结果进行了比较.计算结果表明,在蒸发过程中,初始的流场温度越高,颗粒半径越小,质量分数越大,定压比热变化得越快.比较平衡过程的定压比热,在每一时刻,平衡过程的值要高于非平衡过程.     

对流换热层流流场的物理量协同与传热强化分析

在传热强化场协同原理的基础上, 从流体与壁面之间层流对流换热的物理机理出发, 提出了对流换热层流流场质点物理量的协同原理, 揭示了质点物理量的协同规律以及与传热强化之间的关系, 得出了反映质点物理量协同程度的数学式, 描述了协同角a,b , y, φ, q  和y 之间的关联性, 解释了换热强化和流体减阻的物理本质, 并通过数值计算验证了具有一般性的质点物理量协同原理, 对传热单元及换热器的设计和优化具有一定的指导意义.     

相变储热单元内肋片结构的拓扑优化

以管壳式相变储热系统为研究对象,以强化储热系统的换热能力为目的,基于拓扑优化原理,建立了二维相变储热系统模型,对储热系统模型的传热能力进行了研究,讨论了不同的肋片设计对于传热能力的影响.研究结果表明:通过与传统肋片模型传热能力对比,验证了拓扑优化的优越性和可靠性;揭示了自然对流对于肋片优化和系统换热能力的影响规律;通过对肋片进行了几何重构并对重构模型进行数值模拟验证,证明了重构模型的准确性和可靠性,为实验验证打下基础.     

湍流换热的场物理量协同与传热强化分析

在层流换热场物理量协同原理的基础上, 针对湍流零方程模型和k-ε 两方程模型, 建立了湍流换热的能量和动量协同方程, 揭示了湍流换热流场中热流、质量流与流体流动驱动力之间的协同关系及其所反映的强化传热机理, 将强化传热的场物理量协同原理由层流延展到湍流. 通过圆管内置旋扭式螺旋片的强化传热计算分析, 证明了湍流换热场物理量协同原理具有普遍性. 因此, 根据湍流换热流场的物理量协同关系, 可对各种不同的管内强化传热元件和表面的换热性能和流动阻力进行分析比较, 从而为提高传热单元或换热器的综合性能提供理论和设计依据.     

多相格子Boltzmann方法及其在相变传热中的应用

经过30余年的发展,格子Boltzmann方法已成为一种非常有效的数值模拟方法.该方法是介于微观分子动力学模拟方法和基于连续介质假设的宏观数值模拟方法之间的一种介观数值模拟方法.与传统数值模拟方法不同,格子Boltzmann方法基于气体动理论,具有清晰的物理背景和粒子图像,能够非常方便地从底层刻画流体内部的相互作用,因而对多相多组分等复杂流体系统的模拟具有很大优势.近年来,该方法被应用到沸腾及冷凝相变传热的研究中,体现出了一定的优势与特色.与VOF, Level Set等界面跟踪或界面捕捉方法相比,格子Boltzmann方法中的气液界面可以自动产生、演化与迁移,无须采用任何界面跟踪或界面捕捉技术.此外,在相变传热的研究中,气泡或液滴可以自动成核,无须布置种子气泡或种子液滴.本文总结了近些年多相格子Boltzmann方法的发展,并结合作者的研究工作,重点评述了伪势多相格子Boltzmann模型的研究进展及其在沸腾与冷凝相变传热中的应用.     

沸腾与冷凝传热及强化

正沸腾与冷凝传热是伴随有巨大汽化潜热吸收和释放的相变对流传热,与无相变对流传热相比,其换热系数具有数量级的差别,是一种非常高效的传热方式.沸腾包括池沸腾和流动沸腾,而冷凝包括膜状冷凝和珠状冷凝.沸腾与冷凝传热在众多的工业过程中均有广泛的应用,如航空航天、电子工业、化工、机械制造、食品     

金属泡沫复合微肋微通道热沉的流动传热特性分析

构建了一种金属泡沫和固体微肋相结合的复合微肋微通道热沉(combined fin heat sink, CFHS),采用扩展型达西模型和局部非热平衡传热模型数值研究了复合微肋微通道热沉的流动与传热特性,结合热阻网络分析了复合微肋结构的传热规律,并对复合微肋热沉的综合换热能效进行了评价.结果表明,与传统固体微肋结构相比,复合微肋结构可显著提升微通道热沉的换热性能;金属泡沫厚度和孔隙率是影响换热性能的主要因素,存在最佳金属泡沫临界填充厚度以及最佳孔隙率参数设置.相对于传统固体微肋热沉,本文研究的复合微肋热沉热阻降低了约56%,综合换热能效提升了约1.32倍,金属泡沫最佳孔隙率及临界无量纲厚度分别为0.9和0.3.本文相关研究成果可为开发高效的电子设备冷却装置提供理论指导.     

梯度结构多孔表面强化沸腾及其在相变器件中的应用

表面微/纳加工是强化沸腾传热的重要方法和研究热点.很多基于表面微/纳加工技术的梯度结构多孔表面也展现出了良好的强化沸腾能力,但不同的梯度结构多孔表面对沸腾传热的影响目前尚缺少系统性的研究.本文从几何尺寸梯度和润湿性梯度两个方面回顾了梯度结构多孔表面的沸腾强化进展以及对应的相变器件研究.几何尺寸梯度结构表面可分为单层几何梯度结构多孔表面、多层几何梯度结构多孔表面、覆盖微/纳米层的梯度结构多孔表面以及径向梯度孔径多孔表面.除几何尺寸上的梯度结构对强化沸腾有明显效果,润湿性梯度的改变也被证明可以大大提高沸腾换热效果.由于梯度结构多孔表面优异的沸腾传热性能,其在相变器件(如环路热管、平板热管等)方面得到了广泛应用,并有效提升了器件的传热性能.本文总结了部分梯度结构多孔表面在强化沸腾传热及提高相变器件性能方面的共同点,为后续的进一步研究奠定了基础.但是梯度结构多孔表面还有进一步优化的空间,对梯度结构多孔表面的进一步研究将有助于得到更高效的沸腾换热表面和相变传热器件.     

广义对流传热定律下多级热机系统功率优化的Hamilton-Jacobi-Bellman方程和动态规划法

研究了有限热容高温流体热源和无限热容低温环境间工作的多级内可逆卡诺热机系统, 考虑热源与工质间传热服从广义对流传热定律[q∝(ΔT)^m], 在初态时刻和驱动流体初态温度均一定的条件下, 应用最优控制理论导出了最大输出功率与流体温度最优构型相关的连续Hamilton-Jacobi-Bellman (HJB)方程. 基于普适的优化结果, 进一步导出了牛顿传热定律(m=1)下的解析解; 对于非牛顿传热定律(m≠1), 优化问题不存在解析解, 将连续HJB方程离散化, 运用动态规划方法编程实现获得了其完整的数值解, 并深入讨论了系统最大输出功率与过程时间、流体温度三者间的关联耦合关系. 研究结果对实际能量转化系统的最优设计与运行具有一定理论指导作用.     

多场协同原理在管内对流强化传热性能评价中的应用

针对管内层流和湍流换热,分析了流体质点矢量物理量的协同性,揭示了对流换热多场协同规律与强化传热机理之间的关系,提出了评价强化传热综合性能的效能评价系数EEC,同时,基于协同角α,β,θ,γ,η,初建了判断层流和湍流强化传热性能的统一评价体系以及相应的评价指标.此外,针对内插三角杆强化传热管建立了数学模型,通过数值模拟对所建立的评价体系及其指标进行了验证.计算结果表明,基于多场协同原理的协同角与强化传热效果的评价准则之间相互对应,在Re数为300~1800的范围内,性能评价系数EEC值在1.3~2.3之间,而效能评价系数EEC值则在0.33~0.45之间.     

封面说明

正能源的传输和利用效率是衡量社会进步和科技发展的重要指标.相比于对流和辐射传热过程,相变传热因其能够充分利用介质的潜热而可获得更高的热量传输效率.沸腾和冷凝是与人们生产生活密切相关的、最具代表性的相变换热传热过程.人类从新石器时代就已经掌握了沸     

对流换热的物理机制及其控制:速度场与热流场的协同

从能量方程出发重新审视了对流换热的物理机制,把对流换热比拟有内热源的导热。热源强度不仅取决于流体的速度和流体的物性,而且取决于流速与热流矢量的协同。流动的存在可以强化换民可以并无实质贡献,甚至能减弱换热。这不仅可以对现有对流换热现象有更深入的理解,而且可发展一系列对流换热控制的新方法,举出了传统热强化和保温等应用方面的实例。     

多组相变材料多个热物性的同时测定性

相变储能可应用在许多领域.相变材料(PCM)的热物性对其筛选和应用有重要意义.PCM的比热和潜热的测量方法一般可分成3类:常规卡计法、差热分析法(DTA)和差示扫描量热法(DSC).虽然DTA和DSC法优点很多,但缺点也是明显的:所用试剂很少(1～10mg),导致试剂的热物性常常与实际应用中的大块材料和热物性有差别;不能测定导热系数和热扩散率.常规卡计法几乎都不能同时测定多种PCM试样的比热、潜热、凝固点和导热系数,且PCM的相变过程不易观察.鉴于上述,我们发展了一种能够测定多组相变材料凝固点、比热、潜热、导热系数和热扩散系数的新方法——参比温度曲线法.     

换热器强化的场协同原则

提高换热器的传热性能可以有两个层次, 第1个层次是增加对流换热系数, 第2个层次是改善换热器整体安排. 围绕第2个层次讨论, 提出了改善换热器中冷热流体温度场间的协同就能提高换热器的效能. 换热器中冷热流体温度场的函数形式越接近, 冷热流体的温差场越均匀时, 称冷热流体温度场的协同越好. 通过重新分布换热面积可提高叉流换热器的效能, 当换热面积具有最佳分布时, 叉流换热器的效能可与逆流换热器的效能相等. 多股流换热器中, 顺流换热方式的换热量可以高于逆流换热方式, 表明换热器的传热性能的高低取决于它们的温差场均匀性即冷热流体温度场协同程度, 而不是取决于流动方式.     

格子Boltzmann方法的工程热物理应用

格子Boltzmann方法在过去的20年里已经发展成为一种有效的数值模拟方法, 它是介于微观分子动力学方法和基于连续介质假设的宏观方法之间的一种介观方法. 该方法与传统的流体模拟方法不同, 它基于分子动理论, 通过跟踪粒子分布函数的输运而后对分布函数求矩来获得宏观平均特性. 基于本课题成员的一些工作, 本文对格子Boltzmann方法在工程热物理领域中研究进展做了简要回顾, 包括: (1) 格子Boltzmann方法的发展简介; (2) 沿着Boltzmann方程 —— Maxwell分布 —— Boltzmann-BGK方程 —— 格子Boltzmann-BGK方程这一主线对格子Boltzmann方法的基础理论和基本模型做了简要介绍; (3) 在格子Boltzmann方法的模型发展方面, 介绍了用于理想气体可压缩流动与传热的耦合双分布函数模型和用于非平衡态气体流动模拟的格子Boltzmann模型. 在格子Boltzmann方法的边界处理方面, 介绍了反弹与镜面漫反射格式及质量修正格式. 在格子Boltzmann方法的计算格式方面, 介绍了显式-隐式有限差分格式, 该格式能够有效地提高计算效率; (4) 在格子Boltzmann方法的应用方面, 着重对其在交变流动、可压缩流动、多孔介质流动、微尺度气体流动及热声中的应用做了详细介绍; 最后指出了格子Boltzmann方法在工程热物理领域中需要进一步研究的内容.     

微孔膜管显著强化R123冷凝传热

新能源和低品位能源利用需要高效相变换热器,将微孔膜插入管内(以下简称调控管)可提高近壁区质量含气率,从而显著强化传热.本文进行了R123在水平管内的冷凝传热研究,比较了光管与调控管的冷凝传热特性.研究表明,微孔膜管可显著强化冷凝传热.在实验参数范围内,强化传热因子EF达到1.118~2.124,综合评价因子PEC在0.71~1.66的范围内,大部分实验工况的综合评价因子大于1.当实验段出口为气液混合物时,强化传热因子EF随入口蒸气质量流速Gxin的增大而增大.当实验段出口为过冷液体时,强化传热规律与之相反.通过可视化图像及管内压力和速度分布的讨论,本文分析了微孔膜管冷凝传热强化机理.     

考虑非Fourier效应的Chen-Holmes生物传热模型的解析解

对考虑非Fourier效应的Chen-Holmes生物传热模型给出了一个带有热波的代数显式解析解, 该解析解除有重要的理论意义外(如加深对生物组织中热波现象的理解), 还可以作为标准解校验相关数值解与发展数值计算方法.     

低温下纳通道中纳米流体的传热机理

基于平衡分子动力学方法,引入含有量子修正项的WK势能模型,研究了低温条件下含有铜纳米颗粒的氦纳米流体在纳米尺度通道中的传热机理.通过比较原子势能、动能和碰撞能及加入纳米颗粒对热导率的影响,揭示出纳米颗粒与系统所有原子的相互作用势对纳米流体热导率贡献最大.分析热导率矢量随计算时间的收敛曲线,发现流道方向的热导率远大于壁面方向,热导率呈现出各向异性特征,深入的研究最终阐明了产生这一现象的物理机理.