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.     

强化对流换热中的热量加权温差分析与应用

以电子器件对流散热为背景,提出热量加权温差综合评价传热量一定的多热源的平均温度和传热系统的传热效率.通过分析对流传热中控制体内"(火积)"的构成,结合变分原理推导了对流换热中的热量加权温差,讨论了温差均匀性、传热效率以及热量加权温差三者的关系,即热量加权温差越小,传热系统温差均匀程度越高;另外,从热量加权温差减小的方向来优化传热,设计一种开缝与翻折相结合的散热翅片,计算开缝和多翻折翅片与常规直翅片的热量加权温差大小,并用热量加权温差分析两种传热系统的多热源平均温度大小和温差均匀程度高低的原因,结果表明:传热系统的热量加权温差越小,冷却多热源物体平均温度效果越好.即对流换热总传热量一定时,热量加权温差可评价对流换热的传热效率和温差均匀性.     

布置带劈缝球凸结构微通道热沉内流动和换热特性

将球凸结构与鲨鱼皮仿生概念相结合,提出了带劈缝的球凸结构,并对布置该结构微通道内的流场结构和换热特性进行了数值分析.研究结果表明,宽劈缝通道有利于降低其尾缘逆压梯度,抑制通道流动分离;劈缝通道外移,劈缝壁面温度明显降低,通道尾缘分离泡尺寸减小;斜劈缝通道将主流沿展向引射到侧面,强化了通道二次流,有效降低了侧面角区温度,通道各壁面的温度均匀性得以提升.相同条件下, B方案(劈缝中心线在球凸直径上相对位置w/D=0.25)通道相对范宁摩擦系数(f/f_0)较小,劈缝宽度较大的工况中上述趋势更为明显,而劈缝宽度为10μm的微通道换热能力优势明显; A方案(w/D=0.33)中,劈缝宽度为15μm的通道f/f_0很低,其综合热性能(TP)较好.本研究中布置带劈缝球凸微通道TP最大为185.3%,表现出了良好的强化换热和节能性能.     

端部圆角结构提升带针肋微通道热沉均温性

布设针肋的微通道因其具有较高的强化传热传质效率而得到了广泛应用,但针肋背风侧端部存在的局部高温区域和整体较差的均温性将会提升换热表面的温度梯度,产生额外扩展热阻,将在很大程度上影响系统的调制响应,以及设备的经济性和可靠性.为解决上述问题,本文提出了采用端部圆角结构改进带针肋微通道热沉均温性的研究思路,并详细分析了其周期性层流流动换热性特性,由结果可见,Re=0~120时该新型针肋强化了微通道内的展向和法向二次流,提升了外侧换热面和针肋表面的均温性,有效消除了针肋背风侧端部的局部高温区域,并且随着圆角半径的增加,上述效应逐渐增强,通道努塞尔数最大增加了16.93%;而与传统带针肋微通道热沉相比,该新型微通道的阻力系数并未明显增加,因此,通道综合热性能系数最大增加了16.22%.此外,随着Re数继续增加,圆角结构对通道换热性能的影响逐渐减弱.     

可压缩容积对内肋阵列微通道流动沸腾不稳定性影响

实验研究了通道入口上游存在不同的可压缩容积条件下,水力直径为210.4mm的硅基内肋阵列微通道内去离子水流动沸腾不稳定性,实验采用的内肋结构为圆形叉排内肋阵列.实验过程中,实验段加热功率保持恒定,采用逐渐减小去离子水质量流量的方法改变工况.定量分析了不同可压缩容积条件下,沸腾不稳定起始点(OFI)、沸腾不稳定现象产生时,温度和压力振荡的振幅和周期变化规律.结果表明,几种可压缩容积(V=0,0.5,1.0和2.0cm~3)条件下,OFI点对应的质量流量几乎相同,这表明可压缩容积对OFI没有影响.当通道上游存在可压缩容积时,OFI点之后通道内产生了沸腾不稳定性现象,伴随着温度和压力的周期性振荡.而且随着可压缩容积增加,温度和压力振荡的振幅逐渐增大,周期线性增加.在非稳态沸腾区,流量稍有减小便会引起平均压降突然增大,且增幅随着可压缩容积增加而增大.而通道上游不存在可压缩容积时,通道内未产生沸腾不稳定性现象.微通道入口上游可压缩容积有多种形式,采用压力罐驱动和上游管道采用软管连接都会引入可压缩容积,从而引起可压缩容积不稳定性振荡.     

通道结构强化微通道流动沸腾流动与传热

开展了R134a/R245fa非共沸混合工质及其纯组分工质在不同通道结构的平行微通道内流动沸腾特性的探索性工作.提出了具有内部连通区域的分隔型微通道结构,重点探讨了通道结构对流动沸腾传热特性与压降特性的影响.研究结果表明,与连续型微通道相比,纯组分工质在分隔型微通道中的流动沸腾传热效果略有增强,但非共沸混合工质却略有减弱.无论纯组分工质还是非共沸混合工质,分隔型微通道内部连通区域的存在对于延迟传热恶化的出现、提高流动沸腾CHF均有所帮助.此外,分隔型微通道可以显著降低非共沸混合工质及其纯组分工质流动沸腾过程中的压降,且工质的液-气密度比越小,内部连通区域对压降的改善效果越明显.     

相变型热驱动微泵泵送特性的实验

对相变型热驱动微泵进行了实验研究，并建立了简化模型，探讨了微泵的泵送机理，实验表明：影响微泵泵送特性的最主要因素是加热条件和散热条件；对给定的系统，对应流量的最大化存在加热电流和加热时间的最佳值；与自然对流冷却相比，强迫对流冷却需要增加加热电流强度才能达到相同的泵送流量，内径200μm微泵的最大流量为33μL/min，最大压头达到20kPa以上，理论分析表明，此微泵的泵送机理主要来自于气体段的气塞作用以及气液间巨大的密度差异。     

多画面加固液晶显示器热设计技术探讨

文章简要介绍了加固液晶显示器的热设计技术方案.根据显示器的不同构成部件,利用热分析和热控制技术,提出了低温加热、高温散热的几种实用措施.     

带有超疏水点阵的微细铜丝上的核态沸腾

表面亲疏水特性对沸腾有着重要影响.本文在直径为150μm的铜丝上修饰了宽度为100μm、间距为3 mm的超疏水点阵.借助微细丝较好的观测特性,对疏水点阵上的沸腾过程,尤其是气泡脱离及相互合并过程进行了细致考察.研究了单个疏水点大小对起泡的影响,并对带有疏水点阵的铜丝上的沸腾换热模型进行了初步考察.超疏水点阵可以显著提高核态沸腾换热效率,初步认为其主要原因在于点阵使得起泡更加容易,且沿加热丝更加均匀,但最优的核化点密度及其与铜丝的固体热性能的关系还有待进一步研究.     

不同肋片结构的印刷电路板换热器传热与阻力特性

随着电子系统日益发展,高热流密度电子器件的冷却问题备受关注,微细通道液冷是一种广泛使用的高效冷却方式.印刷电路板换热器具有传热系数高、紧凑、高效等特点,有望成为微细通道热沉的备选方案.为此,本文对几种不同肋结构印刷电路板换热器的散热性能进行了评估,结果表明,非连续肋结构性能显著优于连续平直肋结构;改进翼型肋综合传热性能最佳,其次依次是翼型肋、椭圆肋、圆形肋和连续平直肋,改进翼型肋在高雷诺数条件下优势更加显著;相对于平直肋,改进翼型肋印刷电路板换热器Nu数提高了20.2%,阻力上升了5.6%.     

小型斯特林热声发动机谐振管内径的影响研究

基于线性热声理论, 对一台小型热声斯特林发动机进行了数值仿真, 并进行了相应的实验研究. 计算和实验结果表明, 谐振管内径的变化对于小型斯特林热声发动机的谐振频率以及性能具有十分重要的影响. 适当减小谐振管的径向尺寸, 能够有效降低整机的谐振频率, 提高系统波动压力幅值, 这对于热声斯特林发动机的小型化具有重要的指导意义. 根据计算和分析, 搭建了一台小型热声斯特林发动机, 其谐振管的长度和内径分别为350 mm和20 mm, 工作频率为282 Hz, 当充气压力为2 MPa, 加热量为637 W时, 系统最大压力峰峰值和压比分别达到了0.22 MPa和1.116, 初步具备驱动热声制冷机或者热声发电机的能力     

金属纳米薄膜中稳态非傅里叶导热的实验

作为传热学理论的基本规律,傅里叶定律对于常规条件下的导热都是适用的.针对瞬态条件下的热波现象和非傅里叶导热已有不少理论和实验研究.近年来,热质理论指出在低温、极高热流密度的稳态条件下也会出现非傅里叶导热现象,其物理本质是热质惯性力作用不可忽略的体现.利用液氦制冷系统,在低温环境中对大电流加热条件下金属纳米薄膜中的导热过程进行实验研究,实验中可以产生高于1×1010Wm-2的热流密度.通过对不同金属纳米薄膜样品的重复测量,结果显示金属纳米薄膜平均温度明显高于傅里叶定律的预测值,并且温差随着热流密度的增加、环境温度的减小而逐渐增加,表明非傅里叶导热现象的存在,同热质理论的预测规律一致.     

基于微丝的PDMS微流动通道制作技术

微流动通道是微流控芯片的重要组成部分, 其加工技术的每一步进化或简化一直为国际学术界与工业界所重视. 提出了一种基于微丝的PDMS微流动通道制作技术. 该技术利用一些简单的模具辅助固定和布置微丝, 然后将PDMS预聚物浇注于模具中浸没微丝并固化, 固化后抽出微丝形成PDMS微通道或通道阵列, 在与通道垂直的方向上打孔并封装, 形成与通道外部物质交换的接口. 实际制作通道时可采用商用化的金属微丝(如不锈钢微丝), 直径从100~20 μm不等. 较为详细地介绍了利用这种技术来构建多种拓扑结构的二维或三维通道或通道阵列, 例如直通道、交叉通道、弯曲通道等的能力. 进一步, 基于金属微丝的电磁特性, 这样的微通道制作工艺还被应用来构建出适于电磁控制和温度控制的微流动通道装置. 最后, 通过圆截面微通道的光路分析、微通道内粒子流动的图像测速(Micro-PIV)与微液滴形成实验及分析进一步印证了这种微流动通道制作技术的可行性和适用性.     

基于不可逆热力学的膜换湿过程研究

利用非平衡热力学理论研究了膜换湿过程的热质耦合现象, 建立了相应的物理数学模型, 求得了非平衡热力学模型中各特征参数的具体表达式, 分析了各特征参数与膜两侧温度和浓度的依变关系, 为传质通量和传热通量的分析计算奠定了基础. 探讨了膜两侧温差、浓度差以及膜平均温度对透膜通量及热流束的影响情况, 结果表明: 当膜平均温度相同时, 膜两侧浓度差越大或温差越小对应的透膜传质通量就越大; 当膜两侧的浓度差和温差相同且浓度差产生的质量流占主导地位时, 膜平均温度越高, 对应的透膜传质量也越大; 透膜质量流引起的吸附热占总热流的比值与膜两侧的温差、浓度差以及膜基准温度有关, 且膜两侧温差越小, 吸附热占总热流的比重就越大.     

微通道流的滑移连续介质模型及其适用性

采用不同滑移连续介质模型, 考虑不同的进出口压比、长宽比和出口压力, 对微通道中低马赫数的氦气流和氮气流进行数值分析, 并采用小扰动分析方法给出不同阶滑移条件所对应的流场理论解, 用实验结果和DSMC方法在不同努森数区域中检验理论模型. 研究表明, 滑移模型能很好地描述微通道流的可压缩效应、稀薄效应以及热蠕动效应; 与一阶滑移模型相比, 稀薄效应在高阶滑移模型中影响略弱; 努森数和雷诺数分别表征稀薄效应和热蠕动效应的强弱; 滑移的连续介质模型适用于努森数小于0.15的氮气流动, 而高阶滑移模型在努森数小于0.08的滑移流区域效果更好; 在努森数大于0.2的过渡区, 滑移模型明显低估了稀薄效应.     

一种便携式温差发电炉的实验研究

为解决极端条件下的供电问题,设计了一种便携式温差发电炉,实验研究了其功率负载特性.温差发电炉可燃用干树枝等生物质,总质量为2.5 kg,折叠后尺寸为0.25 m×0.2 m×0.044 m.实验发现,设计的便携式温差发电炉在自供电散热后,当外部负载介于50~70?时,可对外提供2.45 W的电能;经过稳压模块转换成5 V后,当外部负载为12?时,可对外提供2.06 W的电能,系统的热电转换效率约为2.1%.此外,实验揭示了热管理在温差发电技术中的关键作用,即零耗电的热端设计、热端温度控制、热容匹配和冷端散热耗电负荷是实现净对外供电的核心参数.最后,通过实验对比了商业化销售的便携式温差发电炉,并进行了分析和讨论.     

多画面加固液晶显示器热设计技术探讨

文章简要介绍了加固液晶显示器的热设计技术方案。根据显示器的不同构成部件，利用热分析和热控制技术，提出了低温加热、高温散热的几种实用措施。     

丝网型超薄热管结构参数影响的实验探究

随着电子器件朝着高性能化、集成化与微型化方向的快速发展,狭小空间内高热流密度的散热问题亟待解决.超薄热管作为相变传热元件,具有超高导热率和器件结构紧凑等优点,因此被广泛应用于微型电子器件的散热中.不同的电子元器件具有各不相同的器件结构与散热需求,因此超薄热管在实际应用中也存在各种各样的器件结构.在本课题组对丝网型超薄热管中丝网吸液芯结构参数(目数、丝径)对其传热性能影响的研究基础上,为迎合实际应用中散热部件结构多样化的要求,本研究选取了对超薄热管传热强化效果最优的丝网结构作为吸液芯,通过实验手段,进一步探究了超薄热管的器件结构(包括长度、宽度和厚度等)对其传热性能的影响规律.结果表明,器件长度对超薄热管性能的影响存在一个相互矛盾的因素,故存在一个最佳的长度值使得热管具有最优的传热性能.此外,器件宽度和厚度的增加,都可以不同程度地提升热管的工作性能.最后,基于实验数据,建立了可有效预测超薄热管工作性能的经验关联式.对比超薄热管蒸发端温度的预测值与实验值,发现其相对误差可控制在±10%以内.     

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.     

非均匀热流下R245fa/R134a两相流型及换热特性

针对有机工质在非均匀热流边界条件下的气液相变问题,基于质量分数配比为0.7:0.3的非共沸工质R245fa/R134a,建立了非均匀热流下10 mm内径水平管内的两相流动沸腾换热实验系统.实验工况为质量通量175～373kg/(m~2s),热流密度9.95～47.57 kW/m~2.利用高速摄像仪和图像处理技术,对观察到的泡状流、塞状流、分层流和环状流4种流型进行了灰度值分析,并分别绘制了非均匀加热和均匀加热时的流型图.基于流型分析了干度、质量通量、热流密度和饱和温度对两相换热系数的影响,并将实验数据与4种现有关联式进行对比.结果表明,在相同的加热量下,相比于均匀加热条件,非均匀加热条件下流型由间歇流转变为环状流时的初始干度更低;换热系数在低干度区随干度变化较小,而在干度较高的环状流区域随干度增大而增大.此外,换热系数随质量通量、热流密度增大而增大,而饱和温度对对流沸腾区换热系数的影响不大,对核态沸腾区有一定影响.在非环状流区域4种换热关联式的预测能力都表现较差,而在环状流区域SunMishima关联式的预测精度相对最高.