微细槽道散热器性能实验和数值研究

设计了针对电子芯片50W/cm2散热需求的微细槽道散热器.研究中,采用水为换热介质,对其冷却换热性能进行了实验和数值研究.通过对散热器表面温度、冷却介质水的进出口温差、流量和压降等参数的测量和数值计算,系统分析了换热量、热流密度等散热器性能参数.实验和模拟结果表明:在雷诺数小于50、模拟热源表面温度低于85 ℃的情况下,该微细槽道散热器可以达到56 W/cm2的热流密度,且压降不超过400 Pa;小雷诺数条件下,微细槽道散热器的摩擦系数随着雷诺数的增大而减小,散热量随着模拟热源表面的温度的升高或流量的增加而增加.微细槽道散热器的换热性能随着雷诺数的增大而提高,并且随着加热功率的增大,提高的幅度也增大.     

泡沫金属的热分析

提出了一种高孔隙率开孔泡沫金属的结构简化几何模型,运用热电比拟理论在胞孔尺度上分析并求解了有效热导率的计算表达式,并根据已有实验数据进行模型修正.同时模拟分析了金属泡沫三维矩形通道内空气流动的对流换热情况,与实验结果进行了对比验证.研究表明,本文提出的胞孔有效热导率修正模型对铝泡沫金属有一定的适用性;相同孔隙率条件下,泡沫金属通道内强制对流的对流换热系数随孔密度的增加(即孔径的减小)而增大,但付出的代价是阻力也随之增大;相对而言,低孔密度的泡沫金属具有较好的对流换热综合性能.     

金属泡沫管内强制对流换热的数值模拟

对空气在金属泡沫管内的强制对流换热进行了二维数值模拟.动量方程采用BrinkmanForchheimer扩展达西模型,能量方程采用考虑流体和固体局部不平衡的二方程模型,并用金属泡沫方形通道的试验数据验证了程序的正确性.模拟结果表明:金属泡沫管的努塞尔数随孔隙率的减小或孔密度的增加而增大,且随流体和固体导热系数比值的减小而增大;金属泡沫管的强化换热效果十分明显,但其压降远大于光管.数值模拟结果与相关文献的结果符合较好.     

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。     

带60°肋和出流孔的矩形通道端壁换热特性研究

根据相似理论放大的模型,采用热色液晶瞬态测量技术研究带有60°肋和单排溢流孔的内流通道的换热特性,分析主流雷诺数和出流比对壁面对流换热的影响规律.矩形内流通道进口雷诺数变化范围是20 000～80 000,通道出流比变化范围是0～0.6.实验结果表明:出流作用使出流孔附近区域的换热得到了强化;主流雷诺数一定时,随出流比的提高,壁面平均换热系数和增强系数都先略微增大后逐渐减小;出流比一定时,随雷诺数的增加,端壁平均换热系数基本呈线性增加,而换热增强系数则减小.     

叶片前缘旋流蒸汽冷却流动和传热的数值研究

通过求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes方程和标准k-ω湍流模型,数值研究了旋流蒸汽冷却的基本原理,分析了冷气雷诺数和来流温比对流动和传热特性的影响,旨在阐明旋流蒸汽冷却的原理,总结其流动传热的变化规律。在此基础上对无量纲换热系数Nu、雷诺数Re和来流温比φ进行数值拟合,得到旋流蒸汽冷却的传热关联式。研究表明:冷气在旋流腔内的高速转动引起强烈的径向对流运动,使得换热增强;增大雷诺数能够增大冷气的涡量,有效提高旋流腔的换热系数,同时降低阻力系数;增大来流温比使得冷气的涡量增大密度减小,旋流腔的换热系数略有减小,阻力系数显著降低;综合换热因子随着雷诺数的增大而增大,随着来流温比的增大而减小;拟合的传热关联式与数值计算结果吻合良好,可以准确地预测蒸汽旋流冷却的换热系数。     

短周期风洞上动叶表面压力和换热测量

采用短周期冷态传热风洞研究了某型放大动叶表面静压及换热系数分布,实验中雷诺数和叶栅压比范围涵盖了叶片的典型工作状态.结果表明:压比是影响表面压力系数的主要因素,雷诺数的影响可以忽略;雷诺数和压比都会影响表面换热系数和绝热壁温,随着雷诺数的增大,叶片表面换热系数增加,吸力面转捩点前移,大雷诺数的换热系数分布趋势有别于小雷诺数;保持主流总温不变,随着叶栅压比的增大或雷诺数的减小,绝热壁温降低,小雷诺数下绝热壁温实验值低于平板的理论计算值.     

金属泡沫孔密度对石蜡融化性能影响的实验研究

为了探究金属泡沫孔密度对石蜡融化性能的影响,设计搭建了相变蓄热实验台,制作了不同孔密度的复合相变材料。通过实验对比研究了镍复合相变材料和铜复合相变材料内部温度分布,分析了孔密度对导热和对流换热强度的影响,比较了在相同时间内镍复合相变材料和铜复合相变材料的蓄热量。实验结果表明:镍复合相变材料随着孔密度的增大,温度堆积现象加重;当孔密度为1.02mm~(-1)时,镍复合相变材料的对流和导热换热强度相等;当孔密度为1.26mm~(-1)时,铜复合相变材料的对流和导热换热强度相等;当孔密度为2.36mm~(-1)时,铜复合相变材料对应的蓄热量最多;当孔密度为0.79mm~(-1)时,镍复合相变材料对应的蓄热量最多。     

缠绕管式换热器结构参数多目标优化数值模拟研究

为分析缠绕管式换热器关键几何结构对其流动和传热性能的影响,采用多目标遗传优化算法对壳侧的流动和传热特性进行了数值模拟研究,并对通过中心复合设计得出的实验点进行了计算。研究结果表明:缠绕管式换热器的壳侧压降随着层间距、缠绕角、同层管间距的增大而减小;壳侧换热系数随着层间距的增大而减小,随着管外径的增大而增大,随着螺旋角的增大先增大后减小。通过敏感度分析可知:螺旋角和层间距对缠绕管式换热器的流动和传热性能影响最大,在计算工况下,层间距对压降和换热系数都呈负相关;螺旋角与压降呈负相关,与换热系数呈正相关。同时,应用多目标遗传算法在连续响应面的基础上对原结构进行优化,得到3组优化结果,换热系数平均增加了2.93%,压降平均降低了40.27%,综合传热性能均好于原结构。该研究成果可为缠绕管式换热器的优化设计提供理论基础。     

冲击加多斜孔双层壁冷却方式冲击换热系数

在相似理论指导下,采用恒热流方法实验研究了冲击加多斜孔双层壁复合冷却方式多斜孔壁冷侧局部冲击换热系数.研究结果表明:换热系数随着冲击雷诺数的增大而增大,基本呈线性关系;多斜孔壁上的倾斜小孔抽吸气流对斜孔周围换热增强有明显的效果.     

泡沫流体管流流动与换热数值模拟

基于质量、动量和能量守恒方程,建立泡沫流体在圆管内流动与换热的物理模型和数学模型,并利用FLUENT软件进行模拟,得到不同雷诺数下圆管内的压力损失、管道横截面上的速度分布和表观黏度分布,同时回归了不同雷诺数下的摩阻系数和努塞尔数经验关系式.结果表明:管内压力沿管程不断降低,且流速越大压降越大;管内温度沿管程不断升高,且流速越小温升越大;管道横截面上的速度、温度分布不均匀,越接近管壁速度越小,温度越高.     

空气-水鼓泡流动的阻力与蒸发传热特性

实验研究了一种新的适用于蒸发冷却过程的鼓泡装置的阻力与传热特性.实验中将换热盘管浸没于空气-水的鼓泡层中,空气-水两相流通过盘管的表面.这种换热方式可以极大的提高换热管与空气之间的换热系数,降低水泵功率的消耗,而且对气流速度的要求低于空冷式冷凝器.文中给出了空气穿过空气-水鼓泡层的压降以及盘管与冷却水之间换热的实验数据,该结果显示影响压降及换热系数的因素包括多孔板的几何尺寸,鼓泡层的高度,空塔速度及热流密度.换热盘管与冷却水之间的换热系数比管外降膜冷却的换热系数大2倍多.     

不同深度凹陷内湍流流动与传热性能的数值研究

采用标准k-ω湍流模型对具有不同深度的凹陷涡发生器表面湍流传热性能进行了数值计算,获得了雷诺数(Re)在8 500~60 000内不同深度的凹陷表面湍流传热、流阻和流动特征,并拟合了传热和摩擦因子关系式.凹陷表面平均传热性能和摩擦因子随着深度的增加而增大,并且Re越高传热性能和摩擦因子越高.在低Re值(Re=8 500)时深度比(σ,凹陷表面深度与截面直径之比)为0.1和0.3的凹陷传热相差不大,平均性能较光滑平板增强约40%左右;而在高Re值(Re=50 500)时后者比前者传热提高约11%,平均换热性能较光滑平板分别增强42.1%和51.6%,摩擦因子提高30%~120%.相对于光滑通道,凹陷表面综合热性能提高10%~35%,综合热性能随凹陷深度的增加而逐渐减小.详细的凹陷表面传热分布还表明,深度比为0.1和0.2的浅凹陷涡发生器局部传热分布对称,而深度比为0.26和0.3的深凹陷局部传热分布是非对称的,这主要是由于浅凹陷与深凹陷内部具有不同的涡流结构.     

多孔介质振荡流格子-Boltzmann模拟

为研究多孔介质内振荡流流动特性,该文将格子-Boltzmann方法对多孔介质内的振荡流过程进行了数值研究.采用四参数方法构造了多孔介质结构模型,对多孔介质内的振荡流过程的模拟结果表明;多孔介质振荡流的最大压差随最大Renoylds数的增加而迅速增加,在Renoylds数小于100的范围内,最大阻力系数与最大Renoylds数呈反比例关系,与文献报道的实验结果一致;在孔隙率小于0.85范围内,压差与流速之间的相位差变化较小,孔隙率继续增加时,相位差随孔隙率的增加而线性降低.     

具有抽吸/喷注的多孔壁圆柱管道内磁流体的流动

研究了水平方向存在磁场的可渗透圆柱形管道内稳态不可压缩流体的层流流动,通过引入流函数,将控制方程化为非线性常微分方程.假设抽吸/喷注雷诺数和磁场雷诺数均很小,将小雷诺数作为小参数,应用摄动法求解了问题的近似解,进一步研究了流体速度、压降及管壁表面的摩擦阻力系数.在磁场的影响下,主流方向的压降随着抽吸雷诺数的增加而降低,随着喷注雷诺数的增加而增加.壁面的摩擦阻力系数随着抽吸雷诺数或磁场强度的增加而降低.     

开缝翅片流动和传热性能的实验研究及数值模拟

对2排X型双向开缝翅片管换热器空气侧的传热及阻力性能进行了实验研究, 在实验的 Re范围内得出了传热和阻力的性能关联式及特性曲线.比较得出,开缝翅片的传热性能远高于平直翅片,与单向开缝翅片相比,X型双向开缝翅片的性能更好.通过数值模拟得出了 X型双向开缝翅片的效率计算曲线.应用场协同原理,对数值模拟得到的气流在2片翅片之间的温度场、速度场、对流换热系数及压降在流动方向上的沿程变化进行了分析.结果表明,开缝翅片有效强化传热的根本原因是翅片开缝后改善了速度和温度梯度的协同性.     

不同接触角微肋阵内的对流换热及能效特性

在椭圆形微肋阵表面固化含有微纳米粒子的疏水性涂层获得具有不同接触角的疏水性微肋阵,测试不同雷诺数Re下实验段内的压降?流动阻力系数f及努塞尔数Nu,并分析了接触角变化对微肋阵热沉内流阻和换热的综合影响及其能效特性?研究结果表明,疏水性涂层具有显著的减阻效果,压降和流动阻力系数随接触角增大而减小;但疏水性微肋阵内的Nu也降低,且3种疏水性微肋阵内Nu之间的偏差随功率的增加而增大;尽管表面疏水性降低了微肋阵内Nu,接触角为151.5°超疏水微肋阵仍具有较好的能效特性,与无疏水性涂层的微肋阵相比,相同对流换热量时其所需泵功可减少200%以上?     

波壁管式换热器内壳侧流体流动与换热特性

传统的直壁管式换热器的换热效率不高,为了增强换热器内流体的换热效率。采用数值模拟的方法对<1-2>型波壁管式换热器内流体的流动与换热特性进行了分析研究,重点探讨了雷诺数Re与波壁管半径比i对换热器内流体的流动特性、阻力特性、换热特性以及综合换热性能的影响。结果发现,与直壁管式换热器相比,波壁管式换热器内流体的流动状态能够得到较大的改善。波壁管式换热器壳程流体的进出口平均压降比直壁管式换热器低,平均压降最大可降低11.01%,且发现随着Re的增加,平均压降明显增大,随着i的增加,平均压降略有增大。波壁管式换热器壳程内流体的对流换热系数hs明显大于直壁管式换热器,hs最大可增加14.17%。hs随着Re的增大逐渐增加,而i对hs的影响不明显。同时发现波壁管式换热器的综合换热性能与雷诺数Re成正相关,而与半径比i成负相关。与直壁管式换热器相比,波壁管式换热器的综合换热性能更强。