微纳通道内稠密气体流动和换热的Monte Carlo模拟

使用Enskog模拟Monte Carlo法(ESMC)对稠密气体在微纳通道内的流动和换热进行了模拟, 并与直接模拟Monte Carlo法(DSMC)和一致性Boltzmann算法(CBA)所得的结果进行了对比, 对微纳通道内稠密气体流动和换热特性进行了分析. 结果表明, 当气体密度较大时, 稠密气体效应对流动和换热的影响不可忽略, 这种效应使得通道内壁面阻力系数减小, 且壁面换热特性也与不考虑稠密气体效应时有所不同.     

铜-水纳米流体流动与对流换热特性

建立了测量纳米流体流动与传热性能的实验系统, 测量了不同粒子体积份额的Cu-水纳米流体在层流与湍流状态下的管内对流换热系数和摩擦阻力系数, 详细讨论了Reynolds数和纳米粒子体积份额对纳米流体对流换热系数和摩擦阻力系数的影响. 实验结果显示, 在液体中添加纳米粒子显著增大了液体的管内对流换热系数, 而纳米流体的阻力系数并未增大. 例如, 在水中添加2.0%体积份额的Cu纳米粒子, 相同Reynolds数条件下, 纳米流体的对流换热系数比水增大了约60%. 综合考虑影响纳米流体对流换热的多种因素, 提出了计算纳米流体对流换热系数的关联式, 通过比较关联式的计算结果与实验数据, 表明关联式正确地描述了纳米流体对流换热过程, 可以用来计算纳米流体的对流换热系数.     

基于棋盘型高拓扑热沉结构不同喷嘴射流分布结构的数值研究

电子或电力电子芯片的高密度热流换热问题是制约芯片技术的核心问题之一.本文针对棋盘型喷嘴射流/歧管/微针翅复合结构拓扑形态设计和几何构造参数影响关系进行数值模拟研究.建立喷嘴阵列在正方形、正六边形和菱形三种拓扑结构下换热单元的计算模型,分析各拓扑结构不同参数尺度的流动换热性能.计算结果表明,当射流孔和微针翅的直径分别为5...     

变壁温管内对流换热场协同优化分析

采用分析方法, 求解了壁面热流呈指数变化的圆管内层流热入口段的换热. 结果表明, 换热系数与壁温沿轴向的温度梯度直接相关, 轴向壁温梯度越大, 换热就越强. 进而, 分析讨论了壁面热流不同变化情况下, 充分发展段的场协同度. 通过分析场协同度和对流换热系数的对应关系, 验证了场协同原理的正确性, 也表明优化热边界条件是提高场协同度、从而实现强化换热的途径之一.     

等热流圆管内潜热型功能热流体层流换热的内热源模型及应用

从对流与导热的相似性出发, 揭示了潜热型功能热流体强化换热的物理机制. 针对平均比热容模型的局限, 发展了内热源模型, 优化了其数值计算方法, 对影响速度充分发展的等壁温圆管内该类流体层流流动换热强化的各因素进行了敏感性分析, 弄清了影响换热强化的主要因素及其强化换热的机理, 提出了表征功能热流体换热强化程度的修正Nu数.     

微三角形槽道内非均匀定热流加热下的滑移流动换热

针对微三角形槽道, 利用正交函数法求解了滑移流区内带温度跳跃边界条件的能量方程, 理论分析了多种不同非均匀定热流密度加热条件下不可压缩气体在微三角形槽道内热充分发展滑移流动的换热特性, 获得了相应的温度分布及平均Nusselt数的计算式. 讨论了Knudsen数、微槽高宽比及不同加热边界条件对平均Nusselt数的影响. 计算结果表明: 正交函数法适用于微三角形槽道内滑移流动换热特性的分析计算; 在滑移流区, 微三角形槽道内的平均Nusselt数随Kn数的增加而减小, 但减小的幅度随微槽的高宽比和加热边界条件的不同而不同. 对微正三角形槽道而言, 相比单独底边加热条件, 两斜边加热条件下的换热性能在小Kn数时下降较缓, 在大Kn数时下降较大. 最后得到了非均匀加热边界条件下微正三角形槽道内平均Nusselt数的计算关联式.     

利用 CFD技术对管壳式换热器壳程结构的模拟分析

以某公司所制造的水源热泵为基础,针对制冷量 Q0=180kW 的蒸发器的内部结构,利用 CFD技术对其壳程侧做了流场与热场的模拟分析,得到了具有一定价值的分析结果:1)原设计中不仅单弓形折流板的数量较多而且折流板较厚,占用了一定有效换热面积,势必影响了壳程水侧的换热效果和造成了较大压降;2)由于进水管侧的水温与制冷剂的蒸发温度之间存在较大的温差,会在管板上产生较大的热应力,有造成管板与换热管的接触破坏的可能;3)通过对原设计的速度矢量分析,可以较为清楚地看到,原设计存在较多的流动死区,这些流动死区,会影响水侧换热.根据这些分析结果,提出了相应地解决方案,并建立了改进后的蒸发器模型     

蒸气在变壁温竖直细圆管内的流动凝结换热特性

针对细小直径圆管的特点, 对经典的Nusselt分析进行修正, 考虑凝结液膜弯曲引起的表面张力以及气液界面蒸气剪切力影响, 建立变壁温条件下竖直细管内流动凝结换热的数学模型, 从理论上探讨小管径下, 沿程管壁温度和重力等作用因素对流动凝结影响程度发生的变化. 实验检验证实分析模型的结果是可靠的.     

恒壁温边界条件下不可压缩气流在微通道内的二维层流换热

基于贴壁层概念和已经求得的贴壁层内气体黏度和导热系数变化规律,求解了等壁温边界条件下微通道内气体完全发展的二维层流换热,分别得到了平行平板微槽道和微圆管内温度分布和对流换热系数.     

封闭腔导热辐射与自然对流耦合换热的数值研究

对具有导热和表面辐射换热相互耦合的封闭腔内的自然对流进行了数值研究,计算采用层流模型,为SIMPLE算法,QUICK差分格式.计算结果表明,在自然对流的封闭腔内,辐射换热比对流换热更占主导地位.当具有固体层时,导热的效应使总的对流换热有所增长(曲线的初始部分),但当固体层的导热系数比超过一定值时(kr≥10),再增加固体的导热性能,对封闭腔内的流动和换热的影响就不明显了.从数值上证实了在实际的建筑环境中,只要外围护结构的厚度达到一定的数值就可以达到隔热保温的要求.再增加厚度并不会得到更好的效果.     

考虑对流换热因素的阶形脉冲激光加工热过程解析解及实验验证

材料的激光加工热过程是涉及激光束、工件及周围环境相互作用的复杂热交换问题, 特别是对流换热边界条件的变化将对温度场分布及加工质量产生很大影响. 而以往的温度场求解中, 对流换热条件基本都被简化或忽略, 直接影响了温度场及后续流场、应力场的计算准确性和精度. 研究了考虑对流换热边界条件的材料表面脉冲激光加工热过程, 通过Laplace变换的方法求解出物体温度场分布的解析解, 对无量纲参数进行了适当地设置和定义, 研究了无量纲距离x′、无量纲时间τ、表面无量纲能量吸收M及Biot数Bi与温度分布(无量纲温度T ′)之间的相互关系. 通过分析表明, 随着Bi值的增大, 外界的对流换热作用越来越强烈, 使得温度最大值所处位置偏离开材料表面, 逐渐向内部偏移. 采用红外测温的方法对解析解模型进行了实验验证, 取得了较为理想的结果.     

强化单相对流换热的一般理论指导原则

分析了强化单相对流换热的主要方法, 阐述了强化换热与能量损耗之间矛盾的统一性, 建立了换热(或火用)效率与换热过程动力及其与过程能耗的热力学关系, 导出了强化对流换热的一般理论指导原则——相对温度梯度场分布和速度场与温度梯度场的协同关系式. 温度梯度场分布与速度场分布相互制约, 当二者协调并满足该原则时, 则强化对流换热达到最优的换热效率.若温度梯度场与流速场协同程度确定, 则要求温度梯度场分布相对均匀性, 反之, 若相对温度梯度场的分布确定, 则确定了温度梯度场与流速场协同程度. 该原则也给出了相对温度梯度分布与流速、比热及其导热系数的依赖关系. 这一理论原则可为对流换热强化及其优化设计提供一般理论指导.     

底部加热长方体腔内空气自然对流的稳定结构及三维特性的研究

采用具有QUICK差分格式的SIMPLE算法对底部加热长方体腔内空气的自然对流进行了实验研究和数值计算.1）当四周壁面绝热时,腔内流体形成平行于短轴方向的多个长条状涡卷,而平行于长轴方向没有形成涡卷.当Rayleigh数较小时,腔内流动表现出明显的二维特性,沿短轴各个截面的涡卷流动基本一致,三维模型平行于短轴的各截面平均Nusselt数除了边壁处差别较大,中间大部分区域均与二维模型平均Nusselt数比较接近,腔内的空气流动在长轴方向除了边壁附近差别较大,中间大部分区域均呈现明显的二维特性,二维与三维模型计算结果一致,且与实验结果吻合.随着Rayleigh数的增加,涡卷数量与形状都会发生改变,在腔内出现多边形的涡卷,腔内的流动表现出明显的三维特性,此时采用三维模型才能取得与实验一致的计算结果.2）侧壁绝热或者传热量较小时,长高比为16时,三维模型计算得到与实验一致的结果,形成平行于短轴的10个长条状涡卷.当侧壁面有传热时,方腔内流动形成了平行于长轴方向的涡卷,并且热流方向相反时涡卷的旋转方向也相反.3）底部加热长方体腔内空气的自然对流换热,低Rayleigh数时流动和换热处于稳态,当Rayleigh数超过某一临界值时,流动和换热就会发生非线性振荡.随着Rayleigh数的增加,流动的情况基本分成四个区域：稳定区域、单倍周期区域、多倍周期区域和混沌区域.     

层流下潜热型功能流体在内嵌圆柱圆管中的传热特性数值模拟分析

采用等效比热法对功能流体在光滑直圆管和三种内嵌同轴圆柱的圆管内的流动和传热特性进行了数值模拟,并利用场协同理论对流场进行了分析．结果表明,在内嵌同轴圆柱的圆管中,功能流体的传热效果随着Ste数的减小而增大,这与功能流体在光滑直圆管中流动的情况类似,但是与光滑直圆管相比,功能流体在内嵌同轴圆柱的圆管内流动可以明显的提高换热能力,且换热强化随着内嵌圆柱的直径增加而增加,但功耗也明显增加．     

管壳式换热器纵流管束内的扰流机制与传热强化研究

分析了折流杆换热器管束内的扰流机制,在此基础上,根据核心流传热强化原理,设计了一种新型的折流杆-扰流叶片组合式换热器,建立了相应的物理和数学模型,并对其传热与流动特性进行了计算模拟．结果表明,该新型换热器壳程的对流换热系数与折流杆换热器相当,但流动阻力远小于折流杆换热器,综合性能优于折流杆换热器,而且Re数越高,优势越明显．     

压电驱动自耦合射流流动和换热特性的实验研究

采用PIV、热线风速计和红外热像仪对狭缝喷口自耦合射流的流动特征和冲击靶板的对流换热特征进行了实验研究。结果表明     

基于(火积)耗散理论的新翼型换热器优化方法研究

基于(火积)的分布匹配以协同强化的思路对新翼型换热器进行结构优化,提出两种不均匀的翅片分布结构,在给定热流边界条件下以超临界CO_2为工质,对多种翼形肋分布结构进行传热流动性能的数值研究.结果表明,针对超临界流体物性剧烈变化导致的换热参数分布极不均匀的特点,在总换热面积不变的条件下通过相应改变新翼型肋片分布方式,改善了流体(火积)与壁面热流(火积)的分布匹配性,进而改善了流道内局部(火积)耗散率的分布均匀性,使流道内总(火积)耗散率减小,换热性能提高.比拟两流体耦合换热过程中变热流边界条件下的数值研究表明,在换热器两流体耦合换热中依据换热参数分布特性相应改变新翼型肋的分布方式,在总换热面积不变的条件下同样改善冷热流体(火积)的分布匹配性,进而使局部(火积)耗散率沿换热区域分布更为均匀,减小总的(火积)耗散率.(火积)的分布匹配原则为换热器结构优化和改进提供了新的思路和方法,具有重要的理论和工程意义.     

低质量含气率折流板管壳式换热器壳侧气液两相流动与换热特性的实验研究

采用实验的方法研究低质量含气率(3%~5%)对折流板管壳式换热器壳侧气液两相换热和流动的影响,在相同的管内流体参数下比较了壳侧单相与两相流体流动和换热特性,并结合实验数据分析不同两相流流型下壳侧的流动与换热特性。以迪图斯-贝尔特公式为基础拟合出努谢尔特数Nu和雷诺数Re的关系式,以气液两相均相流模型为基础拟合出摩擦阻力系数fi与Re的关系式,为折流板管壳式换热器气液两相流的应用提供参考依据。     

超音速分离管内多组分气体分离的相平衡计算

建立了超音速分离管内多组分气体分离的相平衡数学模型, 并给出了相应的计算方法. 用所提出的模型和求解方法对用于中试的天然气净化分离管内天然气的相平衡特性和分离效果进行了预测, 并与实测结果进行了比较. 结果表明, 预测结果与中试实验结果基本吻合, 证明所建立的数学模型和计算方法的可靠性, 能够较精确地预测气体超音速分离管分离得到的气液两相各组分含量等相平衡参数以及流量、密度等流动参数, 也为超音速分离管的结构优化提供了理论根据.     

加热丝上过冷池沸腾汽泡射流现象及其模拟

实验观察分析直径25及100 mm微细铂丝上过冷池沸腾微小汽泡射流现象, 利用高速摄影和PIV技术获取汽泡周围射流形态及流场, 发现小尺寸汽泡具有明显的顶部射流, 大尺寸汽泡则可以在汽泡两侧出现多股射流. 通过分析汽泡界面相变换热以及热毛细力效应(Marangoni), 建立了近壁面汽泡计算模型并数值模拟汽泡周围流场, 模拟射流结构及喷射强度等与实验结果一致吻合. 分析证明, 热毛细效应引起汽泡界面快速流动并带动周围液体形成射流; 汽泡直径对于射流结构有重要影响, 决定着汽泡射流多样性结构.