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。     

乙醇三维内微肋热管的传热性能

采用实验研究的方法对三维内微肋热管的强化传热特性进行研究，首次报道了以乙醇为工质的三维内微肋热管的传热性能。在实验范围内，与光管相比，竖直放置时，沸腾换热系数可以提高98％—190％，凝结换热系数可以提高76％—178％。三维内微肋结构能够同时明显地强化热管的沸腾换热与凝结换热，可以有效地减小热管的内热阻。     

Ω型凹槽微通道内的汽泡行为及流动沸腾特性

针对Ω型凹槽微通道内流动沸腾,运用VOF(volume of fluid)模型和用户自定义函数,对微通道内发生的一系列汽泡行为进行了数值模拟.结合Ω型凹槽微通道内汽泡成核生长、聚并、脱离的动态演变过程,分析Ω型凹槽微通道流动沸腾换热的特点.结果表明:与平直微通道相比,Ω型凹槽微通道内的汽泡行为较为不同,汽泡脱离周期缩短,主流区温度降低,汽泡与受热壁面之间存在液体薄层,有助于提升流动沸腾换热的稳定性、可靠性;不同的凹槽结构(凹槽深度H、凹腔直径D)强化传热效果不同;H=50μm,D=80μm的Ω型凹槽微通道,其换热系数最高;H=30μm,D=50μm的凹槽微通道则对应最低的换热系数;凹腔直径对微通道内的压降影响较为明显,较大的凹腔直径对应较高的压力损失.     

水平新型微肋管内流动冷凝换热及流阻特性

为研究微肋管结构尺寸及工况等对管内流动冷凝性能的影响，采用R22为工质对4种结构的微肋管和1根Ф9．52mm光管进行了实验．根据实验结果分析了质量流速、微肋结构尺寸和管径等对冷凝换热性能的影响．实验结果表明，两根Ф9．52mm微肋管的换热系数分别比光管提高了90％和120％，而其内表面积只比光管增加了40％和70％．     

微柱群通道流动沸腾两相摩擦压降特性研究

为探究微柱群通道流动沸腾两相摩擦压降的影响因素,对高度和直径均为500 mm的微圆柱组成的叉排微柱群通道进行了实验研究,并借助高速摄像仪对通道内不同加热功率的气液两相流型进行了记录分析。实验中质量流速范围341~598.3 kg·m~(-2)·s~(-1),热流密度范围20~160 W·cm~(-2),工质出口干度范围0~0.2。实验结果表明,两相摩擦压降随着质量流速的增大而增大,随着热流密度的增大呈线性增长;工质进口过冷度对两相摩擦的影响随着出口干度的升高逐渐减弱。通过可视化研究发现,随着热流密度的增大,微通道内流动沸腾的流型变化依次为泡状流、环状流,环状流区两相摩擦压降明显高于泡状流区。     

狭窄环形通道内环状流动传热的计算

建立了环形通道内环状流的分相流模型,通过求解质量、动量及能量守恒方程,得到了液膜的厚度、膜内速度、温度的分布以及换热系数,结果表明：沸腾换热系数随着热流密度和质量流率的增加而增加,随着狭缝尺寸的增加而减小,与液氮在弦月形狭缝通道内沸腾实验数据相比,环形通道内环状流传热模型计算值仿小,平均偏差为29%,这是由于弦月形通道的特殊结构形式所致,也从一个方面说明弦月形通道具有强化换热的作用。     

具有相同纵横比的梯形微通道内水蒸气流动凝结换热系数

采用微通道内壁集成Pt电阻测量温度的方法,试验研究了具有相同纵横比的2个硅基梯形微通道内水蒸气的流动凝结换热系数,并基于湍流热边界层分析,建立了剪切力驱动的环状流换热系数半理论模型.结果表明,冷凝换热系数随水蒸气质量流量及其干度的增加而增大,在水力直径较小的通道中,微通道换热效率较高.     

水和甲醇在硅基微通道中换热特性的实验研究

以水和甲醇为工质,在三角形硅基微通道热沉中进行了层流流动与换热的实验研究.基于实验结果,得出了摩擦常数及平均Nusselt数的实验关联式.并发现入口段效应对微流体的流动与换热的影响十分显著.在相近的工况下对采用这两种工质时的微通道壁温进行了比较,结果表明采用水为工质时壁温较低,其原因主要在于水的导热系数及比热均较高的缘故.并对这两种工质在微通道中流动与换热综合性能进行比较,结果发现采用水为工质时具有较好的综合性能.     

三维微肋管内沸腾两相流型及其换热

以R134a为工质在作者研制的三维微肋管内进行了水平流动沸腾换热实验研究，通过可视化措施对流型及其转换进行了观测，结果表明，在Tailer-Dukler流型图上，三维微肋管内沸腾流型的分界线与光滑管有所不同，其中间歇流与环状流的判据由Xtt等于1．6减小到Xtt等于0．42，而波状流向环状流转变的Fr数有所增加；而在中等质量流速下环状流与局部蒸干区的转变主要受热流密度的影响。同时，对三维微肋管内沸腾换热特点进行了讨论，并对得到的实验数据建立了分区换热关联式，这些不同流型下的换热关联式的计算值能较好地同实验数据相吻合。     

脉冲加热下微尺度表面流动沸腾

利用微机电系统(MEMS)加工技术,在梯形微通道内集成特定形状(60 μm×100 μm)的Pt微加热器,通过改变脉冲加热电压及水的流速,采用高速摄像机观察并记录微加热器表面的流动沸腾现象,根据脉冲宽度2 ms下不同流速及热流时微加热器表面的核态沸腾及膜态沸腾现象得到了沸腾流型图.结果表明：在一定流速条件下,随着微加热器的热流增加,核态沸腾及膜态沸腾相继出现在微加热器表面,且核态沸腾开始向膜态沸腾转变;同时,增加水的流速,可使微加热器上发生核态沸腾及膜态沸腾所需的热流量增大.     

微槽平板传热实验研究(英文)

本文以甲醇为工质实验考察了方型微槽结构平板的传热特性,测试了6种不同尺寸实验段的传热数据,发现槽内单相液体对流随加热负荷或壁温升高有传热与流动形态的变化。分析表明,这种形态变更与微槽内液体因壁温升高引起的明显物性变化密切相关。文中分析了液体流速、温度以及微型结构的几何尺寸对传热及流动形态变化的影响。实验还发现微槽结构内的流动核沸腾与通常情况存在明显差异。本研究为微尺度传热的高技术应用和深入的理论研究提供了实验依据。     

狭缝流动沸腾强化传热机理的探讨

假定总热流密度来自对流和汽泡潜热两种成份的叠加，从理论上分析了狭缝通道中流动沸腾传热的机理，揭示了沸腾换热系数与通道尺寸之间的关系，从而证明了狭缝通道能强化传热，并以间隙为1mm和1．5mm的环形狭缝通道中流动沸腾传热的实验数据进行了检验。     

流动沸腾中加热面方向角对其换热影响的分析

在地面上模拟微重力下流动沸腾换热规律的试验中,加热面布置形式是极其重要的一个环节,方向的不同就意味着地球重力场对流动沸腾换热作用的变化．在浮力对不同方向角下流动沸腾换热影响分析的基础上,提出了采用立式上升流和下降流来作为地面模拟微重力下流动沸腾试验的加热面布置形式,通过对这两种工况的比较研究可以典型地说明重力场对流动沸腾换热的影响．     

添加剂稀溶液的流动沸腾传热模型

实验介质为水,所用的添加剂为2种不同相对分子质量的聚丙烯酰胺(简称PAM)和表面活性剂十八烷胺(简称ODA),在溶液质量流率为30．37～188．31kg／(m2·s)．此外,在热通量为15～47kW／m2的条件下,研究了不同浓度的添加剂稀溶液在垂直铜管内的流动沸腾传热情况,以双机理模型为基础,建立了相应的流动沸腾传热模型．结果表明,用此模型方程计算流动沸腾传热系数,与实验值相比其误差在15％左右．     

微槽板内的对流换热和流动特性

在单相强迫对流情况下,对刻有水力直径为0.133mm～0.367mm微矩形槽的微槽结构进行了换热和流动特性实验研究。研究发现,层流换热受槽道高宽比、水力直径与槽间距比值影响,而紊流换热则与水力直径、槽间距和无量纲参数Z有关,对紊流换热而言Z=0.5是最佳参数.实验表明Z对流动阻力因子亦有很大影响,层流情况下当Z为0.5时,摩擦因子或流动阻力都可达最小值;紊流流动阻力比经典理论预示值小,流动向充分发展紊流过渡的临界Re数也比常规值小。文中给出了计算换热和阻力降的经验公式。     

水平管内流动沸腾的热进口效应

通过实验结果讨论、文献数据分析及实验关联式同实验数据的比较，证实了在水平管内流动沸腾中存在热进口效应．研究表明：水平管内流动沸腾的热进口效应随ｑ、Ｘ、Ｇ的变化而改变，并且热进口段长度要比单相液体在管内流动换热时长．最后，推荐Ｄｅｍｂｉ．关系式作为目前计算水平管内流动沸腾热进口段平均换热系数的关系式．     

考虑边界滑移的微通道热沉传热传质性能研究

考虑固液界面边界滑移条件,研究了具有矩形、椭圆形和三角形这3种不同截面形状的微通道热沉的传热传质性能。研究发现,随着滑移长度的增加,流体阻力逐渐减小,对流传热系数逐渐增大。具有相同滑移长度和截面形状的微通道热沉的流体阻力和对流传热系数均随水力直径的增加而减小。在微通道截面面积相同的条件下,三角形微通道热沉的对流传热性能最差;对于椭圆形和矩形微通道热沉,当水力直径小于某一临界值时,矩形传热效果更优,而大于这一临界值时,椭圆形传热效果更好。     

三相流闭式重力热管传热性能

为了拓展三相流强化传热和防、除垢技术的应用领域,优化重力热管的传热性能,设计并构建了一套三相流闭式重力热管系统．考察了固含率、加热功率、充液率和颗粒种类等参数对于三相流重力热管传热性能的影响．结果表明,三相流重力热管可以强化传热,但其传热效果随着固含率的增加会出现波动;热管蒸发段对流传热系数随着加热功率的增加而增大,随着充液率的增加而减小;颗粒的种类对三相流重力热管的传热性能影响较大,在所采用的3种颗粒中,树脂颗粒的强化传热效果较好,与两相流重力热管相比,蒸发段对流传热系数可提高2．8％～28．3％．     

分离式热管蒸发段传热特性的试验研究

在研究分离式热管蒸发段流特性的基础上，对其传热特性进行了试验研究，获得了一些重要的结论。文中着重分析了核态沸腾传热区及飞溅降膜传热区的传热原理；根据试验数据回归整理了相应的换换系数无量纲准则关系式，计算值与试验数据吻合相当好；分别与大空间池沸腾传热和整体式热虹吸管热管蒸发段降膜区传热进行了比较，其结果为分离式热管的研究及工程应用提供了理论的依据。