竖直狭缝通道内水沸腾换热的气泡动力学研究

为加深对狭缝通道内水沸腾换热机理的探索,对宽度为2 mm、长度为300 mm的竖直狭缝通道内水沸腾气泡动力学展开研究,通过数值模拟的方法探索气泡生成、长大和脱离的过程,分析了壁面过热度、泡底微层的运动对沸腾换热的影响,并与实验数据进行了对比.数值计算中考虑了重力、表面张力和壁面黏附作用.研究结果表明:表面张力在细通道沸腾换热过程中所起的作用要远远大于重力;壁面过热度越高,气泡脱离直径越大;随着加热时间的增加,气泡直径d不断增大,当d≥1.5mm时,就会受到来流的影响而发生形变;泡底微层的存在加速了壁面对流,对换热系数的提高有一定作用;数值模拟结果与实验数据吻合良好.     

混合冷剂在竖直矩形小通道内上升流沸腾换热模拟

为研究板翅式换热器流道内混合冷剂沸腾换热规律,建立了竖直矩形小通道内混合冷剂沸腾换热数学物理模型;基于理论推导的汽液相界面交互深度确定方法,采用CFX双流体模型模拟分析了混合冷剂在竖直矩形小通道内上升流沸腾换热规律,并与文献已有经验关联式进行对比分析. 结果表明:由于混合冷剂物性影响,沸腾换热系数随干度增大而降低;由于对流沸腾和核态沸腾换热机理共同作用,沸腾换热系数随质量流率、热流密度增加而增大;同时,模拟与经验关联式对比结果表明,Lazarek换热关联式计算结果与模拟吻合较好,其误差在±15%以内,将其应用于估算竖直矩形小通道内混合冷剂沸腾换热系数具有较高可靠性.      

波形微通道流动沸腾换热特性的数值模拟

提出一种壁面为正弦波形结构的微通道,应用VOF模型和用户自定义函数,着重对波形微通道内的流动沸腾换热过程进行数值模拟.对比波形微通道和平直微通道内的汽泡变化、流动沸腾换热效果和可靠性的差异,分析波形结构对微通道流动沸腾换热的影响.对比发现:波形结构可以促进汽泡脱离受热壁面,维持核态沸腾,避免局部干涸,保证汽液两相流动的可靠性.研究结果表明:增大波幅和减小波距均可强化波形微通道的沸腾换热;波幅扩大到4倍(从20μm增加到80μm),沸腾换热系数提高26.5%,流动阻力升高24.0%;波距缩小到1/4(由2.0 mm减少到0.5 mm),沸腾换热系数提高16.0%,流动阻力升高40.0%;波幅对沸腾换热系数的影响较大,而波距对流动阻力的影响较大,但过大的波幅和过小的波距会引起局部干涸,造成传热恶化,不利于可靠传热.     

截面形状对微通道流动沸腾影响的数值研究

针对换流阀元件在工作时需要高效冷却的要求,采用全氟己烷类液体为工质的微通道相变冷却代替传统水冷系统,并对其在圆形、方形、三角形和梯形4种截面形状微通道内的流动沸腾特性进行了数值模拟,质量流量范围为0.000 1～0.002 kg/s,热流密度范围为50～500 kW/m~2。数值分析结果表明:通道内的锐角边会限制气泡的生长,加速气泡的融合、破碎;局部换热系数沿流动方向逐渐增大,相同当量直径下三角形通道局部换热系数最大,圆形次之,梯形最小;随着热流密度与质量流量增大,4种通道的平均换热系数均增大,当质量流量增大19倍时,换热系数增大0.11～0.32倍,压降增大5.62～8.98倍;当热流密度增大9倍时,换热系数增大0.16～0.20倍,压降增大1.08～1.53倍;三角形通道的性能因子最大,综合换热性能最佳。该研究可为换流阀微通道相变冷却系统的设计提供理论依据。     

T型微通道内气泡生成大小影响因素研究

采用流体体积函数（VOF）方法,对T型微通道中气泡形成过程进行数值模拟研究,根据气泡形成机理,分析了气液流速、流体性质和微通道尺寸等因素对生成气泡大小的影响。研究结果表明,T型微通道内生成气泡长度随气体份额的增加呈指数增加趋势,而在相同气体份额下气液流速对气泡长度影响不大;比较而言,液体粘度和表面张力对生成气泡大小的影响较小,当液相表面张力从0.072 N·m-1降低到0.01 N·m-1时,T型微通道内生成气泡的长度减小了18%,主要是因为在阻塞阶段,最大颈部宽度和塌陷时间减小了;气泡长度随微通道直径的增加而增大,而气泡的无量纲长度基本不受微通道直径的影响。     

T型微通道内气液两相流数值模拟

采用相场方法,在湿壁面条件下对T型微通道内不可压缩气液两相流动进行了模拟研究.数值模拟中得到微通道内特有气泡——Taylor气泡形成的过程,发现其形成共经历了4个阶段,气泡在形成过程中主要受到挤压力、表面张力、黏性力的作用,分析各阶段这3种力对气泡的作用,得到Taylor气泡形成机理.计算结果表明,挤压力和表面张力在气泡整个形成过程都起作用,表面张力在气泡脱离前达到最小值,黏性力仅在气泡形成前两阶段起作用并在阻塞阶段取得最大值.这些基本规律为有效控制微通道内气泡尺寸和微通道系统设计提供了一定的依据.     

正方形小通道内的冷凝换热数值模拟

采用VOF模型对制冷剂R134a在水平放置的边长为1 mm、长度50 mm正方形小通道内的凝结换热过程进行数值模拟计算,研究了入口质量流速、热流密度和冷量施加方式对小通道内冷凝换热的影响.结果表明:冷凝液最先出现在通道拐角处,随后在表面张力的作用下逐渐布满整个通道截面;沿程换热系数在入口处较大,然后沿流向急剧减小,最后趋于稳定;在恒定热流密度条件下,随着质量流速的增加,气液界面的剪切力逐渐增加,冷凝液膜随之变薄,从而导致换热系数变大;当入口质量流速恒定时,热流密度的改变对冷凝换热系数影响不明显;冷量均衡施加于通道边界比集中施加于某一边界液膜分布更均匀,更有利于冷凝换热.     

梯形微通道气液分相强化换热实验研究

针对微通道换热器强化沸腾换热,提出分段式梯形换热结构,该结构可实现气泡在表面张力驱动下间断性流向通道两侧,保持中间加热区为液体,实现气液分相流动,进而强化沸腾换热性能。采用无水乙醇为工质,实验研究直肋和梯形结构铜基表面在热流密度为160~320 kW/m²和工质流量为0.4~2.0 g/s时壁温、换热系数等参数变化规律。结果表明：在饱和沸腾区,梯形分相结构可有效实现气液分离,进而降低壁面温度,大幅提高换热系数;如在25 mm位置处,5段结构换热系数比平行结构换热系数提高了60.4%;在单相加热区,换热面积为主要影响因素,直肋结构换热系数略大,但换热系数比饱和沸腾时小一个数量级。平均换热系数分析得到5段结构微通道比平行结构微通道提高了53.8%,可见分段式结构可实现气液分相流动,有效提高沸腾换热的平均换热系数,增强整体换热能力。     

微通道截面形状对冷凝传热特性的影响

实验研究水蒸气在水力直径为1 mm的半圆形微通道内的冷凝传热特性,获得微通道冷凝传热系数随着质量流速的变化规律。运用计算流体力学(CFD)数值模拟方法,建立半圆形微通道物理模型,以实验数据验证数值方法的有效性。以甲烷作为相变介质,数值分析了气态甲烷在矩形、半圆形与三角形不同截面形状微通道内冷凝传热过程。结果表明:微通道的压降和传热系数随质量流速的增大而增大;质量流速一定时,相比矩形和半圆形微通道,三角形微通道的压降和冷凝传热系数更大。     

铝基微通道内纳米流体饱和沸腾及可视化研究

分别以去离子水及质量分数为0.3%,0.6%和0.9%Al2O3纳米流体为工质,在截面宽×高为0.3 mm×2.0 mm矩形铝基微通道内进行沸腾换热实验,并利用高速摄像仪进行可视化研究,分析热流密度、雷诺数、壁面粗糙度对流体传热系数的影响,探究流体流型变化与气泡生长规律。研究结果表明:纳米流体与去离子水的饱和沸腾传热系数随热流密度的增加而快速增大,努塞尔数Nu随雷诺数Re增大而增大但增幅不同,质量分数为0.3%,0.6%和0.9%的3种纳米流体的Nu比去离子水的Nu分别提高约8%,13%和16%;在相同热流密度及质量流速条件下,纳米流体与去离子水的传热系数均随传热壁面粗糙度的增加而增大;流体流型的变化呈现周期性,增大热流密度,可缩短气泡生长周期,泡状流比例增加。     

热孤子与微细通道相变传热研究

对于微槽流动相变传热,在给出汽泡的平衡半径及初值条件的前提下,提出了汽泡在微槽中演化半径的系综公式,并在此基础上结合汽泡生长随机变量的相关性得出了汽泡在微槽道中生长满足的随机微分动力方程,由方程的定态解进一步得出了微槽中汽泡生长系统的势能及概率密度函数随半径的演化规律。根据微槽中反应汽泡热通量的热孤子表达式,从理论上获得了以核态沸腾为主的微槽相变传热计算公式。为了验证该公式的可行性,本文对具有23条平行的0.3 mm×2mm 微槽进行了相变传热实验,实验结果验证了理论计算公式的可行性。     

高温球体与水的沸腾传热特性研究

为研究高温流体与水的传热特性,采用理论分析与自由界面追踪数值技术对高温球体表面的沸腾传热过程进行研究,得到球体表面传热特性的变化规律. 分析结果表明,当球体温度不变时,蒸气膜层厚度自前滞点往后逐渐增大,膜层内温度呈非线性分布降低,速率呈抛物型分布. 当球体温度提高时蒸气膜层厚度变大,相应的蒸气速率峰值也变大,球面传热系数却变小. 数值仿真结果显示了气-液界面上不稳定性波动发展和气泡成长过程,较为真实地反映出沸腾传热的动态过程.      

Heat Transfer in the Microlayer Under a Bubble During Nucleate Boiling

Many studies have shown that a very thin liquid microlayer forms under vapor bubbles during nucleate boiling. The heat transfer from the surface to the bubble is then significantly affected by this microlayer and the curved region leading into the microlayer. Various models have been developed to predict the microlayer shape and the heat transfer along the curved interfacial region, but they tend to have inconsistent boundary conditions or unrealistic results. This paper presents a theoretical model to predict the microlayer thickness and the heat transfer rates for a variety of conditions. The results show how the wall superheat, the Hamaker constant, the bubble radius, and the accommodation coefficient at the interface affect the evaporation heat transfer rates and the microlayer shape for a large range of conditions for water and FC 72. The microlayer results are then shown to compare well with predictions made by solving the Navier-Stokes equations in the microlayer.     

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.     

汽泡生成状态对沸腾传热影响的实验研究

就常规沸腾下的汽泡生成状态对沸腾传热强弱的影响进行了实验及机理研究．结果表明：诱发传热表面上汽泡的成核可使沸腾换热强化，相反，沸腾传热减弱．     

竖直窄环隙流道自然对流过冷沸腾实验研究

以水为工质，在常压下对竖直窄环隙流道进行了内侧加热自然对流过冷沸腾换热实验研究．实验考察了入口过冷度和热流密度对过冷沸腾换热系数的影响．结果表明，当热流密度一定时，换热系数随入口过冷度的增大而减小，而且，当入口过冷度变化趋势不同时，所对应的换热系数也不相同．另外，当入口过冷度为定值时，换热系数随着热流密度的增加出现非单调变化．     

基于混合热格子Boltzmann方法有限热源加热气泡动力学模拟

为探究不同润湿性表面单气泡动力学特性,通过引入差分方法的单组分多相格子Boltzmann模型,耦合能量方程构成了气液相变模型,模拟了不同润湿性表面单气泡形成过程周围流场与温度场细观,阐述了气泡生长脱离机理;研究了润湿性、过热度、有限热源长度对气泡动力学影响.结果表明,在相同过热度下,疏水壁面气泡生长速度大于亲水壁面.气...     

微通道内纳米流体换热与压降特性

为研究微通道换热和压降特性的影响因素,在当量直径分别为0.923 1,1.333 3和2.000 0 mm的矩形微通道内,以0.1%和0.5%(体积分数)的Al2O3-H2O纳米流体为实验工质,进行无相变以及沸腾传热与流阻特性实验研究,分析雷诺数对努塞尔数和单相流动压降的影响。研究结果表明:增加纳米粒子体积分数对摩擦压降影响较小,而努塞尔数则得到较大提高;在2.0 mm宽槽道内,纳米流体的换热系数比水的换热系数高18%;而0.6 mm宽槽道的换热系数比2.0 mm宽槽道的换热系数提高了近2倍;随着槽道尺寸的减少,摩擦压降显著增大;当雷诺数为800时,0.6 mm和1.0 mm宽槽道摩擦压降分别是2.0 mm宽槽道摩擦压降的23.3倍和4.4倍;热流密度和质量流量增大都将导致摩擦压降增大。     

芯片冷却过程旋转冲击射流换热特性的数值模拟

采用数值仿真的方法模拟了旋转冲击射流的换热过程,分析了换热过程中喷射孔径、喷射间距、旋转角速度以及流场分布特性对射流冲击换热的表面传热系数与平均换热效果的影响。结果表明,3mm孔径的平均换热效果要强于相同Re数下6mm孔径,而且,大孔径射流时的平均传热系数受角速度的影响要比小孔径时大。角速度的增加使换热板上最大换热系数减小且由驻点向外偏移,加入旋转可以使板上的换热更加均匀,表现为角速度越高,平均表面传热系数曲线越平坦。以上规律为旋转冲击射流在高密度电子芯片散热中的应用提供了理论参考。     

液氮在狭缝通道内受迫流动沸腾换热的实验研究

对液氮在0．5－1．5mm狭缝通道内受迫流动沸腾换热的情况进行了研究,实验结果表明：液氮在弦月形猴缝通道中的受迫流动沸腾换热系数是传统大直径光管池沸腾的3－5倍,与热虹吸狭缝通道内沸腾传热相比,当热流密度高于10kW/m2时,受迫流动沸腾在换热温差和换热系数两方面有明显优势,液氮受迫流动沸腾换热系数随质量流速的增加而增加,随热流密度增加的趋势更为显著,狭缝间隙尺寸减少,换热效果增强,弦月形通道与环缝通道相比,在相同的条件下,弦月形通道显示更好的换热效果。