微通道内气体流动参数化数值模拟

基于ANSYS Fluent软件,对微通道内气体在不同压力驱动下的流动做参数化数值模拟分析,得出不同克努森数(Kn)的通道出口截面速度分布图和质量流率,并将仿真结果和理论研究进行比较,分析微通道内气体流动特性与宏观流动的异同,研究稀薄气体效应.模拟结果表明:在微通道中,连续介质假设失效;当微系统特征尺度很小或者工作压力很小时,微通道内的气体具有较大的Kn,出现明显的稀薄气体效应;Kn越大,稀薄气体效应越强烈;稀薄气体效应导致固壁边界的滑移速度和质量流率变大.     

恒壁温下梯形硅微通道热沉流动换热特性

建立了恒壁温条件下微通道中层流流动换热的三维模型,对水力直径分别为108,160和200μm的梯形硅微通道内单相流动换热特性进行了数值模拟研究.研究结果表明:在恒壁温条件下,通道入口段Nu数最大,并沿流程逐渐减小,直至达到充分发展时,Nu数趋于定值;与大管道经典理论不同,充分发展段Nu数随Re数的增加而增加;通道尺度的减小能有效强化换热;恒壁温条件下的平均Nu数总是低于恒热流条件下平均Nu数.同时,对流动阻力损失的研究发现,Poiseuille数与经典值基本吻合.     

幂律流体管内充分发展的对流换热分析

将非牛顿流体的动量方程、能量方程和幂律流体的本构方程相结合 ,建立了幂律流体管内流动和换热充分发展时的对流换热控制方程组 ,并在恒热流和恒壁温边界条件下分别对方程组进行了求解 ,得到了两种不同边界条件下的温度分布和无量纲对流换热系数 (Nu数 )的表达式。结果表明 ,幂律流体的流变指数对流体流动的影响要大于对换热的影响 ;在恒热流边界条件下 ,幂律流体的温度在管内沿轴向呈线性分布 ;而在恒壁温条件下 ,其截面平均温度沿轴向呈指数规律变化。幂律流体的无量纲对流换热系数与幂律流体的流变指数有关 ,并且在两种边界条件下 ,均随着流变指数的增加而减小     

幂律流体管内充分发展的对流换热分析

将非牛顿流体的动量方程、能量方程和幂律流体的本构方程相结合，建立了幂律流体管内流动和换热充分发展时的对流换热控制方程组，并在恒热流和恒壁温边界条件下分别对方程组进行了求解，得到了两种不同边界条件下的温度分布和无量纲对流换热系数(Nu数)的表达式。结果表明，幂律流体的流变指数对流体流动的影响要大于对换热的影响；在恒热流边界条件下，幂律流体的温度在管内沿轴向呈线性分布；而在恒壁温条件下，其截面平均温度沿轴向呈指数规律变化。幂律流体的无量纲对流换热系数与幂律流体的流变指数有关，并且在两种边界条件下，均随着流变指数的增加而减小。     

滑移流区微环缝通道单侧等壁温加热下的换热

对滑移流区微环缝槽道中单独内侧及单独外侧等壁温加热条件下的换热特性进行了理论研究,求解了带温度跳跃边界条件的能量方程,讨论了稀薄效应,内外戏比对等壁温加热条件下微环缝槽道内换热特性的影响,结果表明：滑移流区微环缝通道内的Nu数明显低于连续流区,且随着Kn数的增加,Nu数减小;Nu数随内外径比r^*的变化趋势与连续流区相似。     

不同热流下平行平板微槽内流体滑移流动与层流换热

对两侧不同定热流热边界条件下,流动与热充分发展的平行平板微槽在滑移流区内的层流换热进行了理论分析,研究了微槽内温度场的分布和换热特性,并讨论了Kn、热流比、动量协调系数、热协调系数等的影响.     

管壁导热对管内流动流体热边界条件的影响

对层流管内受迫流动热入口段内流体与管壁间耦合传热进行了计算 ,研究了试件几何尺寸、试件与流体物性参数及流体流动状态对内管壁处流体热边界条件均匀性的影响。研究结果表明 ,即使在管外壁均匀加热 (或冷却 )的情况下 ,管壁导热也使得内管壁处流体的热边界条件出现明显的不均匀性。影响这种不均匀性的主要因素是Peclet数、管壁材料的相对导热系数、实验段相对加热长度及管壁相对厚度等无量纲参数。为了改善管内壁处流体的热边界条件以提高对流换热实验结果的精度和可靠性 ,在保证管外壁加热 (或冷却 )均匀性的前提下 ,一定要尽可能采用足够长的薄壁管做对流换热实验的加热段。此外 ,试件的材料与拟采用的加热方式有关。恒壁温加热时要选用导热系数大的材料 ,而恒热流加热时 (如外绕加热丝加热或管壁直接通电加热 )则应选用导热系数较小的材料     

气流在单壁面等温平行平板微槽道内完全发展层流换热

基于贴壁层模型和贴壁层内气体粘度与导热系数的变化规律,求解了平行平板微槽道内气体完全发展的二维层流换热,得到了一壁面绝热、一壁面等壁温的平行平板微槽道内的无量纲温度分布和对流传热系数,并与常热流边界条件下的求解结果作了比较.     

高炉铜冷却壁热态实验及温度场数值模拟

根据铜冷却壁传热过程分析,得到铜冷却壁热面复合传热系数的计算公式,并在1∶1的热态实验炉上进行了热态实验,得到不同炉气温度下相应的热面复合传热系数值.建立了铜冷却壁三维数学模型,模拟铜冷却壁在几种不同的热面边界条件下的温度场分布.通过与热态实验结果对比分析可知,热面复合传热系数不能取恒定值,需要考虑炉气温度变化的影响.通过模拟结果,计算壁体热流密度的分布,还可得到热面渣皮的厚度的变化范围.     

黏性耗散对幂律流体在多孔介质内对流换热的影响

基于Darcy-Brinkman-Forchheimer流动模型,比较了幂律型非牛顿流体在饱和多孔介质通道内充分发展的强迫对流换热过程中不同黏性耗散的影响,推导出量纲一的轴向流速分布、量纲一的温度分布,及对流换热特征参数的计算表达式,并在恒热流边界条件下,利用经典四阶Runge-Kutta法对不同情形下的黏性耗散效应进行了数值求解.模拟结果表明:对流换热特性与速度分布密切相关,不同的黏性耗散Darcy项、Al-Hadhrami项和Forchheimer项对流动换热特性有重要的影响,且布林克曼数Br、达西数Da、综合惯性参数F和幂律指数n等参数对流动换热特性也有着较大影响.     

滑移流区平行平板微通道内单侧加热流动与换热

对一侧等热流、一侧绝热热边界条件下,流动与热充分发展的平行平板微通道在滑移流区内层流流动与换热进行了理论分析,研究了槽道内速度场与温度场的分布、换热特性,以及Kn、动量协调系数、热协调系数的影响.     

超临界压力CO_2竖直管内传热恶化抑制实验

为抑制浮升力导致的超临界压力流体传热恶化,该文采用光管内插螺旋结构,增强管内湍流发展,提高流体管内换热性能。对超临界压力CO_2在竖直光管、内插螺旋管内对流换热进行了实验研究,比较了热流密度、进口Re、流动方向等因素对换热的影响,讨论了内插螺旋结构对传热恶化现象的抑制作用。研究结果表明:由于浮升力传热恶化作用,流体在光管内向上流动壁温分布呈非线性变化趋势,壁温峰值区域随热流密度升高逐渐向入口区域移动;光管内插入螺旋结构可以有效抑制由浮升力产生的传热恶化作用,显著提高超临界压力CO_2管内对流换热强度,内插螺旋结构管相对于光管可以提高对流换热系数约200%以上;超临界压力CO_2在内插螺旋结构管内流动与换热时,在热流密度较高情况下,浮升力依然会对换热起到一定的恶化作用,流体向下流动时沿程对流换热系数略高于向上流动。     

矩形双通道饱和沸腾传热特性试验研究

针对船舰核反应堆内板式燃料狭窄通道间高温高压条件下沸腾传热问题,通过试验的方法对并联窄矩形通道内去离子水上升流动沸腾传热和流量分配规律展开了研究。设计了板式燃料电加热模拟体,制作了适用于高参数下的并联矩形窄缝通道流通结构,解决了高温高压下试验段密封、绝缘和热膨胀等问题。试验段本体为宽高比39.4的并联矩形通道,试验工况为入口压力2.1～10 MPa、入口温度80～299℃、质量流速1 000～1 500 kg/(m~2·s)、热流密度100～300 kW/m~2。结果表明:2毫米级窄缝矩形通道内单相传热特性与常规圆形通道内传热规律无明显差异;通道内工质沸腾后,热流密度成为沸腾传热主导因素,质量流速对换热特性影响减弱;从壁温、质量流速、热流密度和压力分析双通道传热特性差异,发现相同工况条件下双通道相同位置传热系数偏差不超过±7%,从传热角度看两个并联矩形通道流量分配趋于均匀;将试验数据与5个现存沸腾传热关联式进行了对比,并以Kim公式为基础对关联式进行了改进,拟合得到一个新关联式,改进后的关联式与试验数据吻合良好,分别有77.1%、96.4%的预测值与试验值偏差在±10%、±20%范围内。     

基于热阻网络模型的铜基微通道热沉设计优化

研究表明微通道的截面形状、尺寸以及数量显著影响流体在通道中的传热性能。基于热阻网络模型和计算流体力学(CFD,computational fluid dynamics)模拟,对适用于流动沸腾散热的铜基微通道设计进行了热性能分析。根据实验和模拟计算结果,在确保微通道内热边界层发展区满足恒定壁温条件下,8个平行的尺寸为200μm高,800μm宽,10 mm长的铜基微通道阵列即可满足一般的流动沸腾应用所需要的对流散热量(如6 kW/m~2)。该微通道热沉设计可以在30 min内达到稳定,也可以在相对较短的时间内将目标系统维持在稳定的合理工作温度。此外,实验结果表明在微通道入口处的流体冲击流动可以提高微通道壁面与工作流体之间的对流换热系数,并且在很大程度上降低了壁温。     

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.     

高超声速尖头体驻点热流从连续态过渡到稀薄态的变化特征和桥函数研究

采用理论分析加数值验证的办法研究了高超声速尖头体驻点热流从连续态过渡到稀薄态的变化特征．新型近空间高超声速巡航飞行器采用尖头薄翼的尖前缘外形,要求对驻点热流有比较准确并且相对简单的预测方法．随着前缘曲率半径不断减小,流动逐渐变的稀薄,驻点局部区域黏性干扰效应和稀薄气体效应依次出现,在连续介质假设下预测驻点热流的经典理论Fay-Riddell公式将会失效,驻点热流呈现新的变化特征和演变规律．当前缘曲率半径一直减小以致趋于0时,驻点热流并不会无穷增大,而是趋近于自由分子流极限．这一现象背后的物理机制仍然有待从理论方面加以深入研究．首先,由于所有流动都可以由Boltzmann方程来统一描述,我们把连续流动和稀薄流动放在同一框架下分析,把稀薄情况下因分子碰撞不充分导致的稀薄气体效应与Fourier传热定律失效以及热传导的非线性因素影响增强联系起来．我们借鉴Burnett近似的热流表达式形式,在高超声速前缘驻点区域找到了非线性热流的主要控制因素,构造了包含非线性项的热流具体表达式．然后结合流场图像,把非线性和线性热流的比值眦当作一个特征参数来加以理论研究,它表征非线性因素影响大小,同时也可以作为划分稀薄流动的判据．最后,基于特征参数W1构建了具有物理意义的驻点热流预测桥函数,在整个流动区域都能得到与DSMC计算值和实验数据符合较好的结果．     

宾汉流体在同心环空内的传热分析

结合运动方程、能量方程及本构方程,建立了宾汉流体在内管作轴向运动的环空内流动和换热充分发展时的数学模型,利用因次分析法对数学模型进行了处理,并在内管恒热流、外管绝热和内管绝热、外管恒热流两种边界条件下得到了宾汉流体在环空内的速度、温度分布和管壁内、外表面的对流换热系数.结果表明,屈服应力对努塞尔数(Nu)的影响与内管的运动方向有关,并且屈服应力越小,环空内的温度分布越平缓.塑性粘度对传热的影响只有在内管运动的情况下才体现出来.内管运动方向、运动速度及边界条件的类型都对环空内的温度分布和管壁Nu产生影响.     

矩形微通道内滑移区气体流动换热的数值模拟

在等壁温边界条件下对矩形微细通道速度滑移区的对流换热进行了二维数值模拟、在一阶速度滑移和温度跳跃的边界条件下，计算出了通道内的速度和温度以及压力分布。比较了不同克努森数Kn对于滑移速度和跳跃温度的影响。结果表明，由于气体的稀薄性，压力呈现更加线性化减小的趋势，随着Kn的增加，通道入口与出口处的滑移速度和跳跃温度至现增加的趋势。在通道入口附近，气流速度和温度变化剧烈，而在出口处截面平均流速和温度随加的增加而降低．     

微通道中临界热流密度的实验研究

对当量直径0.5 mm,有效加热长度45.0 mm的微通道进行了临界热流密度的实验研究.表明临界热流密度随工质质量流速和进口过冷度的增加而增加.基于实验数据给出了临界热流密度与Weber数、进口过冷度的关联式.实验还发现微通道中的临界热流密度现象不同于常规通道.微通道中临界热流密度的产生是由于微通道的蒸汽阻塞.在达到临界热流密度之前,微通道的流动和传热主要是周期性的过冷流动沸腾,从微通道逸出的汽泡和进入微通道的液体反复交替冲刷微通道.一旦达到临界热流密度,微通道中的流动和传热主要是一个蒸汽周期性逸出的过程.一直持续到过热蒸汽的出现,直到最后整个微通道被过热蒸汽阻塞.     

粗糙微通道内稀薄气体流动与换热的蒙特卡洛直接模拟

采用Delaunay三角化方法对计算区域进行网格划分,开发了适合于非结构化网格的蒙特卡洛直接模拟程序,并对程序的正确性进行了验证.在此基础上模拟分析了粗糙元为三角形的平行平板间微通道内稀薄气体的二维流动与换热.通道进出口压力固定,上下平板温度恒定.计算分析了粗糙元高度、宽度以及分布密度的影响.结果表明:微通道内粗糙元对流动与换热有明显的扰动;随着粗糙元的变大,速度跳跃显著,甚至出现漩涡,增加了通道内的压力损失;但粗糙元增强了微通道壁面与气体之间的换热.