矩形微槽道平板热管流动与传热特性可视化

以去离子水为实验工质,通过可视化研究方法,探索矩形微槽道平板热管内的流动传热机理.通过对多种工况下平板热管性能的对比,重点探讨了槽道结构和充液率对平板热管内相变现象与传热特性的影响.研究结果表明,不同槽道尺寸下,平板热管的热阻变化规律存在明显差异.低充液率下,随加热量增大, G-400热管热阻呈现先减小后增大的趋势.而在不同的充液率下, G-800热管热阻随加热量增大逐渐减小.在不同槽道尺寸和充液率下,蒸发端相变行为主要包括液膜蒸发和连续气泡生成两种方式.此外,冷凝传热不仅发生在气液界面处,还发生在槽道肋片顶面处,并形成稳定的周期现象.     

丝网型超薄热管结构参数影响的实验探究

随着电子器件朝着高性能化、集成化与微型化方向的快速发展,狭小空间内高热流密度的散热问题亟待解决.超薄热管作为相变传热元件,具有超高导热率和器件结构紧凑等优点,因此被广泛应用于微型电子器件的散热中.不同的电子元器件具有各不相同的器件结构与散热需求,因此超薄热管在实际应用中也存在各种各样的器件结构.在本课题组对丝网型超薄热管中丝网吸液芯结构参数(目数、丝径)对其传热性能影响的研究基础上,为迎合实际应用中散热部件结构多样化的要求,本研究选取了对超薄热管传热强化效果最优的丝网结构作为吸液芯,通过实验手段,进一步探究了超薄热管的器件结构(包括长度、宽度和厚度等)对其传热性能的影响规律.结果表明,器件长度对超薄热管性能的影响存在一个相互矛盾的因素,故存在一个最佳的长度值使得热管具有最优的传热性能.此外,器件宽度和厚度的增加,都可以不同程度地提升热管的工作性能.最后,基于实验数据,建立了可有效预测超薄热管工作性能的经验关联式.对比超薄热管蒸发端温度的预测值与实验值,发现其相对误差可控制在±10%以内.     

基于电池热管理系统的微通道热管阵列的传热性能

温度是影响动力电池性能的关键因素.高效热管理技术可有效控制动力电池温度和温差.本研究采用微通道热管阵列作为电池热管理系统的热传导元件,分析了其在高热功率密度下的传热性能,理论计算了其等效导热系数,优化分析了其槽道尺寸对流动传热的影响,对比了其与主流散热技术的性能差异.研究发现,热功率密度为0.3658 W cm^-2时,强制风冷散热条件下,采用微通道热管阵列技术可维持热源处表面温度45℃以下,温差1.3℃以下,低于无微通道热管阵列导热情况下的温升15℃,温差3.8℃.随着热功率密度增大至0.9176 W cm^-2,微通道热管阵列的等效导热系数增大为6027 W m^-1K^-1,其热源处表面最大瞬态温差约2.75℃.增大槽道尺寸参数可进一步改善微通道热管阵列的导热系数,改善其传热性能,但对液体回流驱动力有一定影响.该阵列具有较好的动态工况热稳定性和低温快速加热能力.与烧结热管组的温度性能相比,微通道热管阵列组最大温度可降低15.1℃,表面温差降低14℃,具有显著降温和均温优势,表明微通道热管阵列在动力电池...     

多蒸发器低温回路热管的启动特性

空间探测技术迅速发展,传统的点对点传热方式不再满足多阵列、大面阵结构探测器的散热需求.本研究通过将3个蒸发器以气耦合的方式并联,设计加工了一种用于多点热源散热的多蒸发器低温回路热管(multi-evaporator loop heat pipe, MeLHP),并进行了样机的启动特性实验研究.实验分别通过与单蒸发器回路热管的比较、不同加热方式的比较以及不同充液率的比较,多方面地探究了MeLHP在降温、启动过程中的特性.实验发现,在保证样机在170 K稳定运行的前提下, MeLHP各个支路均与单蒸发器回路热管的启动特性保持高一致性; MeLHP在单蒸发器加热和多蒸发器共同加热的条件下均能启动,单蒸发器加热过程中未加负载的蒸发器在气耦合作用下分享热量保持各蒸发器温度一致,保证三蒸发器的同时启动;工质的初始分配状态会造成降温过程中各蒸发器温度的差异,气耦合的热交换作用调节了各回路温度的一致性,有效抑制了初始状态对温度的影响;考虑了不同充液率的影响,考察了充液率分别为0.6和0.7条件下的启动特性,发现0.7充液率下MeLHP的启动特性能更好地与0.6充液率条件下的单蒸发器回路热管相一致.实验...     

毛细芯热管的相变驱动机制与模型

现有的热管理论一般认为, 毛细抽力是毛细芯热管运行的唯一驱动机制. 通过建立毛细芯热管内液体和蒸汽流动的热-电模拟回路, 提出了毛细芯热管运行的相变驱动机制, 而且, 通过分析毛细芯热管蒸发界面和冷凝界面之间工质的传输过程, 建立了描述这一驱动机制的数学模型. 以水作为工质, 给出了毛细芯热管的驱动压头和流动阻力的一组算例. 计算发现, 尽管热管的相变驱动压头小于毛细驱动压头, 但前者是一个不容忽略的运行机制. 应用本方法, 可以对毛细芯热管的运行机制和传热极限作出合理解释, 并对毛细芯热管, 特别是微小型毛细芯热管作出较为准确的设计和计算.     

发动机实用的聚合物

正在生产或即将投产的一些复合材料发动机部件都是用石墨增强的PMR-15聚合物制造的。例如,在海军F-18战斗机的GEF-404发动机上,用石墨/PMR制造的空气涵道将取代钛合金涵道。在海军和国家航空航天局资助下由通用电力公司研制的这种涵道是明显地又便宜又轻。石墨/PMR复合材料制造的涵道正被考虑供所有军用的低涵道比涡轮风扇发动机使用。预期此种材料可能应用的其他部件包括有:发动机进气口导向叶片,压缩机第1级和第2级静子,主涵道整流罩,及机翼前缘防冰板。     

基于热管技术的动力电池热管理系统研究现状及展望

电池热管理是发展高性能动力电池系统的关键技术之一,也是工程热物理领域研究前沿和热点.本文介绍锂离子动力电池热特性,阐述热管理对动力电池的重要性.介绍动力电池热管理主要技术手段,重点介绍热管技术应用于电池热管理的研究现状,从电池运行工况对系统传热的影响研究、热管传热特性分析与设计、热管理系统散热结构设计与传热分析及采用热管的电池加热研究4个方面阐述当前基于热管技术的电池热管理研究现状.最后,总结当前研究存在的不足及需要突破的关键问题,以期促进先进动力电池热管理系统开发.     

部分压扁槽道热管实验研究

针对11种不同压扁形式的小型轴向槽道热管进行实验研究, 分析了压扁形式、压扁厚度和工作温度对轴向温度分布、热阻、极限传输功率以及蒸发段和冷凝段的相变换热系数的影响. 实验研究表明, 各种形式的槽道热管在正常工况下, 均可以保持良好的等温性. 热管的几何结构对极限传输功率的影响较明显. 对于蒸发段2 mm厚的热管, 冷凝段厚度从2 mm增加到3 mm, 极限传输功率增加81%; 而对于蒸发段厚度为3 mm的热管, 冷凝段厚度从2 mm增加到3 mm, 极限传输功率增加134%. 对于冷凝段4 mm厚的热管, 蒸发段厚度从2 mm增加到3 mm, 极限传输功率增加26%. 蒸发段厚度每增加1 mm, 极限传输功率增加9%~26%, 而冷凝段厚度每增加1 mm, 极限传输功率增加20%~86%. 冷凝段厚度对热管传热性能的影响要比蒸发段厚度大. 本文的研究内容对了解槽道热管传热性能及电子热设计过程将会有所帮助.     

不同蒸发器结构的超薄平板环路热管的传热性能的差异化

开发设计了两款无毛细结构的超薄型(1.5 mm厚)铜-水平板环路热管,并对其多方位下热传输性能进行实验研究.对比分析了两种蒸发器结构的热管在不同角度下的启动能力和运行特性,且探究了蒸发器结构对于超薄环路热管运行稳定性的影响,以及热管性能在多方位条件下的差异.实验表明两种结构热管均能满足多方位工作的要求,具有抗重力特性,其中平行四边形的结构设计有助于抑制流动不稳定,抗重力性能更优,不仅能够在15°时启动,而且不同角度下热传输性能的差异仅为4%.     

采用复合吸附剂-氨的多功效热管型高效吸附制冷机

采用复合吸附剂-氨工作对设计出多功效热管型高效吸附制冷系统. CaCl₂/活性碳的复合吸附剂, 由于活性碳中丰富的微孔结构强化了CaCl₂的传质, 提高了系统的吸附性能. 系统在加热吸附床时, 加热锅炉为热管加热端, 吸附床为热管冷却端; 在冷却吸附床时, 吸附床为热管加热端, 冷却器为热管冷却端; 在回热时, 热的吸附床为热管加热端, 冷的吸附床为热管冷却端; 回质时, 将热的吸附床和冷的吸附床的氨管路相连通, 由于热床压力高, 其中的氨将迅速流到冷床中而实现回质. 在渔船柴油机余热加热, 海水冷却的条件下, 系统在20℃蒸发温度下可以获得单位质量吸附剂的制冷功率, SCP = 770.4 W/kg, COP = 0.39. 在太阳能热水驱动下, 系统在蒸发温度为5.6℃时可以获得单位质量吸附剂制冷功率, SCP = 524.2 W/kg, COP = 0.27.     

梯度结构多孔表面强化沸腾及其在相变器件中的应用

表面微/纳加工是强化沸腾传热的重要方法和研究热点.很多基于表面微/纳加工技术的梯度结构多孔表面也展现出了良好的强化沸腾能力,但不同的梯度结构多孔表面对沸腾传热的影响目前尚缺少系统性的研究.本文从几何尺寸梯度和润湿性梯度两个方面回顾了梯度结构多孔表面的沸腾强化进展以及对应的相变器件研究.几何尺寸梯度结构表面可分为单层几何梯度结构多孔表面、多层几何梯度结构多孔表面、覆盖微/纳米层的梯度结构多孔表面以及径向梯度孔径多孔表面.除几何尺寸上的梯度结构对强化沸腾有明显效果,润湿性梯度的改变也被证明可以大大提高沸腾换热效果.由于梯度结构多孔表面优异的沸腾传热性能,其在相变器件(如环路热管、平板热管等)方面得到了广泛应用,并有效提升了器件的传热性能.本文总结了部分梯度结构多孔表面在强化沸腾传热及提高相变器件性能方面的共同点,为后续的进一步研究奠定了基础.但是梯度结构多孔表面还有进一步优化的空间,对梯度结构多孔表面的进一步研究将有助于得到更高效的沸腾换热表面和相变传热器件.     

质子交换膜燃料电池冷启动研究及策略优化现状

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)汽车以其能量转换效率高、续航里程长、零排放等突出优势,在“双碳”目标的背景下引起了广泛的关注.然而,在低温环境下的冷启动问题成为限制其商业化和推广应用的一大障碍.因此,研究人员进行了大量的实验与仿真来研究燃料电池冷启动的衰减机理、水传输相变和传热机理以及启动策略优化.通过对冷启动电池的输出性能和微观结构进行测量与表征,发现由于冰的产生覆盖反应活性位点、堵塞气体通道、增大电接触阻抗导致性能下降,由于水冰相变的体积变化破坏了内部结构导致耐久性下降.通过对启动过程中水和冰的分布、传输与相变过程进行研究,发现反应产物水首先以膜态水使质子交换膜(proton exchange membrane, PEM)和催化层(catalyst layer, CL)的含水量达到饱和,接着以过冷水的形式在低温下保持液态,最后排出电池或突然结冰.通过研究冷启动的传热过程发现,电堆中间部分的电池单元和单电池的中间区域升温最快,为产热的主要区域,阴极氧还原反应(oxygen reduction reaction, ...     

气凝胶纳米多孔材料传热计算模型研究进展

对新型气凝胶纳米多孔隔热材料等效热导率计算模型在近年来的发展进行了研究总结,介绍了(1)纳米尺度下气凝胶隔热材料的气相/固相/辐射等不同传热模式的传热特点;(2)气凝胶纳米尺度多孔网络中的气相传热、固相传热以及辐射传热的理论计算、数值预测以及经验关联等不同计算模型的特点及建立方法;(3)气凝胶纳米多孔隔热材料以及气凝胶复合隔热材料的整体等效热导率计算模型的研究进展;(4)以前期开展的研究工作为例,具体说明了气凝胶复合隔热材料从纳米尺度到微米尺度的传热模型的建立过程以及整体等效热导率计算模型的建立方法;(5)对分子动力学方法在气凝胶纳米多孔材料中的应用做了简要介绍.最后指出,对于气凝胶纳米多孔材料,其纳米尺度下的气固接触界面等特殊区域的耦合传热机理研究还不完善,复杂结构的纳米颗粒的固相热导率以及整体热导率计算模型也不够准确.因而采取适用于纳米尺度下的传热计算方法对这些问题进行更细致深入的研究,可以为进一步阐明气凝胶复合隔热材料内部的热量传递机理,建立更准确的气凝胶复合隔热材料传热计算模型,探索不同影响因素对传热性能的影响规律,以及开展气凝胶复合隔热材料的性能预测及优化等方面的研究,提供理论指导帮助.     

T形腔火积耗散最小构形优化

火积耗散极值原理给出了新的传热优化的理论依据和评判标准. 针对矩形固体中包含T形开口空腔的传热模型, 引入了基于火积耗散定义的无量纲当量热阻, 在系统总体积、空腔体积以及T形腔所占矩形域体积一定的约束条件下, 以该当量热阻最小化为目标对模型进行了构形优化. 数值结果表明, 基于火积耗散极值原理可以设计出系统传热性能最优的几何结构. 修正了文献中无量纲总(最大)热阻的表达式, 以其最小化为目标得到了一些与文献结果不同的新规律. 将两种热阻指标下的数值优化结果进行了对比分析, 发现分别对应两种指标的最优系统结构明显不同, 以当量热阻最小化为目标的优化比以最大热阻最小化为目标的优化, 可以有效降低传热平均温差, 改善系统整体传热性能. 空腔自由度越大, 系统性能更佳. 通过数据拟合, 分别得到了当量热阻和最大热阻与3自由度几何参数的优化关联式.     

蒸汽珠状冷凝传热的研究进展

蒸汽在固体表面的冷凝现象普遍存在于自然和生产生活当中.探究凝结液生成机理和热质输运过程,对实现凝结过程有机调控具有重要价值.珠状冷凝由于其高效的换热能力及其在防冰除湿、海水淡化等领域的重要作用,备受学界关注.功能界面制备技术的快速发展助力了传热调控的迅速发展,帮助加深了对相关机理的理解,同时也催生了许多新的科学问题和研究方向.本文通过介绍部分代表性工作,回顾了蒸汽珠状冷凝的研究历史,讨论了其形成机理,总结了传热模型的发展历程和功能表面的制备技术,归纳了存在的问题并探讨了未来的研究方向.     

冰湖怪环谜底揭开

几十年来,科学家注意到一个奇怪现象:每年春季,俄罗斯贝加尔湖冻结的湖面上都会出现硕大的圆环,直径有5～7千米.科学家发现,从圆环出现前一直到出现期间,结冰的湖面下会出现顺时针旋转的涡流.科学家认为,涡流可能是由甲烷引起的.     

基于理论的圆柱体热源构形

基于构形理论和理论,以当量热阻为目标对层流冷却条件下的圆柱体热源进行构形研究,分析热源直径和导热系数对其传热性能的影响.结果表明:在热源体积一定的条件下,不存在最佳热源直径使得其当量热阻取得最小值.随着热源直径的减小、导热系数的增大,热源当量热阻减小,此时热源系统的整体传热性能得到提高.此外,圆柱体热源表面温度沿来流方向逐渐增大,且其表面换热系数沿来流方向逐渐减小.本文所得结果对热源的优化设计有一定的参考价值.     

与建筑一体化太阳能双效集热器系统在被动采暖工作模式下的模拟和实验研究

提出并建立了一种新型的与建筑一体化太阳能双效集热器系统,该系统有两种工作模式:在冬季的被动采暖工作模式和在其他无需供暖的时期的集热水工作模式.针对该新型系统的被动采暖工作模式,实验测试了系统在被动采暖工作模式下的运行情况,同时建立了该新型系统在被动采暖工作模式下与建筑耦合传热计算模型并进行了实验验证.实验和模拟研究结果表明,该新型系统在被动采暖工作模式下工作时,对系统房间的温度提高作用明显.在9:00～17:00的测试期间,系统房间的平均温度达到24.7℃,而期间环境平均温度只有约4.8℃.研究结果还显示,系统房间内空气存在温度分层现象.此外,通过验证的理论模型,还讨论了涂层特性对系统在被动采暖模式下的性能影响情况.     

低压蒸汽滴状冷凝中液滴脱落滞后效应

利用界面结构效应实现蒸汽滴状冷凝对能源动力系统的高效化和集成化具有至关重要的作用.深入认识液滴动态特性对传热性能的影响有利于探究低压蒸汽冷凝中传热控制机理和研发高效紧凑的传热强化技术.本文系统地研究了蒸汽滴状冷凝中液滴脱落特性,提出了低压蒸汽冷凝液滴脱落滞后效应.随着蒸汽压力降低,冷凝液滴黏度增加,引起自身脉动特性下降,接触线移动受阻,接触角滞后现象明显,导致脱落尺寸明显增加而脱落速度大大降低.与常压蒸汽冷凝中液滴的快速启动连续下落不同,低压蒸汽冷凝中液滴长至脱落尺寸后表现出了"阶跃式"下落的现象,即液滴脱落滞后效应.在液滴整个生命周期中,低过冷度时液滴生长速度控制着传热过程,而高过冷度时液滴脱落滞后延缓了表面更新,降低了有效换热面积,成为了控制传热过程的因素.通过液滴脱落效应解释了传热通量随过冷度非线性增加现象的内在机理,明晰了蒸汽冷凝传热控制机制,为低压蒸汽冷凝传热强化指明了方向.     

水热管试验研究

从1964年第一个热管成功运行以来,这方面的研究报告已有数百份公开发表过.热管是一种极有前途的热传递装置,它能以很小的温差输送大量的热量,能发挥“稳压”、“变压”作用,以改变热流强度、增加其稳定性.热管的结构简单、工作可靠、没有运动部件,便于实现全自动化.热管还可以在失重的条件下正常工作.由于热管具备这些特点,因此它可以广泛地应用在原子能动力、宇宙航行和试验技术领域里.