金属泡沫复合微肋微通道热沉的流动传热特性分析

构建了一种金属泡沫和固体微肋相结合的复合微肋微通道热沉(combined fin heat sink, CFHS),采用扩展型达西模型和局部非热平衡传热模型数值研究了复合微肋微通道热沉的流动与传热特性,结合热阻网络分析了复合微肋结构的传热规律,并对复合微肋热沉的综合换热能效进行了评价.结果表明,与传统固体微肋结构相比,复合微肋结构可显著提升微通道热沉的换热性能;金属泡沫厚度和孔隙率是影响换热性能的主要因素,存在最佳金属泡沫临界填充厚度以及最佳孔隙率参数设置.相对于传统固体微肋热沉,本文研究的复合微肋热沉热阻降低了约56%,综合换热能效提升了约1.32倍,金属泡沫最佳孔隙率及临界无量纲厚度分别为0.9和0.3.本文相关研究成果可为开发高效的电子设备冷却装置提供理论指导.     

金属纳米薄膜中稳态非傅里叶导热的实验

作为传热学理论的基本规律,傅里叶定律对于常规条件下的导热都是适用的.针对瞬态条件下的热波现象和非傅里叶导热已有不少理论和实验研究.近年来,热质理论指出在低温、极高热流密度的稳态条件下也会出现非傅里叶导热现象,其物理本质是热质惯性力作用不可忽略的体现.利用液氦制冷系统,在低温环境中对大电流加热条件下金属纳米薄膜中的导热过程进行实验研究,实验中可以产生高于1×1010Wm-2的热流密度.通过对不同金属纳米薄膜样品的重复测量,结果显示金属纳米薄膜平均温度明显高于傅里叶定律的预测值,并且温差随着热流密度的增加、环境温度的减小而逐渐增加,表明非傅里叶导热现象的存在,同热质理论的预测规律一致.     

导热和自然对流对石蜡定向熔化特性的影响

相变散热器在有效保障功率瞬变、间歇性工作电子器件安全运行方面具有极大潜力.针对现有相变散热器性能亟需进一步提升的问题,本文通过改变加热位置和添加泡沫铜,实验探究了石蜡在导热+自然对流、导热、导热增强+自然对流抑制以及导热增强4种作用条件下的定向熔化特性.研究发现,在导热和自然对流同时作用条件下,石蜡的温度经历缓慢上升、极速上升、缓慢波动和继续上升4个阶段,自然对流的作用可将相变散热器的有限保护时间从导热作用时的483 s延长至4400 s.虽然添加泡沫铜能降低石蜡内部的温度梯度,但会延长自然对流作用的起始时间、缩短作用时长以及削弱作用强度,导致自然对流的作用权重比从8.1降至0.72,有效保护时间仅提升80 s.因此,采用相变材料(phase change material, PCM)散热器冷却低热流密度的电子器件时,应优先强化工质熔化过程中的自然对流,随着热流密度的增加,再逐渐强化其导热性能.     

多孔介质的相变和热化学储热性能

探讨了利用多孔材料增加相变和热化学储热功率的可行性,研究了金属泡沫和膨胀石墨添加在储热材料中对储放热过程的影响.低温相变材料采用的是石蜡,高温相变材料采用的是硝酸钠,热化学储热工质对采用的是镁/氢化镁.实验研究了两种相变材料在开孔金属泡沫中的储放热过程.对膨胀石墨质量分数分别为3%,6%和9%的石蜡/膨胀石墨复合相变材料也进行了研究,并与采用金属泡沫的复合相变材料进行了对比.结果表明,金属泡沫具有更好的传热能力,主要因其具有膨胀石墨所不具备的内部连通结构.但是,金属泡沫会抑制液态区的自然对流,特别是对于低黏性的相变材料,因此导致了在固态区、固液共存区和液态区具有不同的传热特性,表明金属泡沫并不是在每个区域都能增强换热.数值研究了热化学储热材料在加入金属泡沫前后的放热过程.在热化学储热中加入金属泡沫,可使反应床平均温度下降,明显提高放热功率.同时,由于放热反应存在最佳反应温度,在一定氢气压力和壁温条件下,通过加入不同孔隙率的金属泡沫对放热功率进行研究,表明反应床加入的金属泡沫存在最佳孔隙率,使得床层整体温度更接近最佳反应温度,实现放热功率最大化.     

预应力作用下双层石墨烯低温热振动

热振动对纳尺度器件动力学特性有着重要的影响.为此,建立了预应力作用下,考虑量子效应的双层矩形石墨烯的等效连续介质模型.计算了不同预应力作用下,不同温度时双层石墨烯的固有频率和均方根振幅.双层石墨烯层间存在范德华相互作用,其同向振动固有频率与相同尺寸单层石墨烯固有频率相等,双层石墨烯存在大于同向振动频率的反向振动频率.考虑量子效应板模型得到的均方根振幅值小于结合能量均分原理板模型得到的结果.且随着温度的降低,两种板模型结果之间的差值增大,量子效应越来越明显.随着预应力的增加,双层石墨烯的固有频率值增加,均方根振幅值降低,量子效应的影响逐渐增加.预应力对同向振动的影响远大于对反向振动的影响.分析了零点能量对双层石墨烯热振动的影响,当计入零点能量后,石墨烯均方根振幅大于结合能量均分原理板模型预测的结果,且在零温时依然存在不为零的振幅.     

碳纳米豆荚内C_(60)分子振荡行为的模拟

利用AIREBO势函数、L-J势函数结合分子动力学模拟方法,对碳纳米豆荚中C60分子的振荡行为进行了模拟.分别讨论了环境温度、碳管管壁层数及C60分子填充个数对碳纳米豆荚振荡性能的影响.研究表明,C60分子沿着碳管轴向做阻尼振荡运动.随着温度升高,振荡频率逐渐减小,振幅衰减速度加快.增加碳管管壁层数使C60分子与管壁间的范德瓦耳斯力增大而滑动摩擦力减小,因而有益于形成稳定振荡.由于C60分子间受力随距离变化以及分子间存在碰撞,增加C60分子填充个数并不能观察到稳定振荡.     

可压缩容积对内肋阵列微通道流动沸腾不稳定性影响

实验研究了通道入口上游存在不同的可压缩容积条件下,水力直径为210.4mm的硅基内肋阵列微通道内去离子水流动沸腾不稳定性,实验采用的内肋结构为圆形叉排内肋阵列.实验过程中,实验段加热功率保持恒定,采用逐渐减小去离子水质量流量的方法改变工况.定量分析了不同可压缩容积条件下,沸腾不稳定起始点(OFI)、沸腾不稳定现象产生时,温度和压力振荡的振幅和周期变化规律.结果表明,几种可压缩容积(V=0,0.5,1.0和2.0cm~3)条件下,OFI点对应的质量流量几乎相同,这表明可压缩容积对OFI没有影响.当通道上游存在可压缩容积时,OFI点之后通道内产生了沸腾不稳定性现象,伴随着温度和压力的周期性振荡.而且随着可压缩容积增加,温度和压力振荡的振幅逐渐增大,周期线性增加.在非稳态沸腾区,流量稍有减小便会引起平均压降突然增大,且增幅随着可压缩容积增加而增大.而通道上游不存在可压缩容积时,通道内未产生沸腾不稳定性现象.微通道入口上游可压缩容积有多种形式,采用压力罐驱动和上游管道采用软管连接都会引入可压缩容积,从而引起可压缩容积不稳定性振荡.     

超临界流体密度波动机理的分子动力学模拟

超临界流体在工业技术领域得到越来越广泛的应用,从本质上研究超临界流体的结构特性具有重要意义.本文采用分子动力学方法模拟得到不同温度和压力下超临界流体局部密度波动的时序曲线变化规律,并进行非线性特性分析.结果表明,在近临界温度时,密度波动幅度在拟临界点处达到最大值,随着温度升高和偏离拟临界点程度的增大,波动幅度逐渐减小.超临界流体是具有显著密度波动的非均匀介质,可以看作是高密度(类液区)和低密度(类气区)流体的混合物,非均匀性随偏离拟临界点程度的增加而逐渐减弱.采用自相关函数法得到各工况延迟时间,结合时序曲线的吸引子相图和递归图定性分析发现,不同系统温度下,时序曲线的波动规律主要满足混沌和类随机两种特性.在近临界等温线上,较大密度范围内具有混沌特征;随着系统温度的升高,范围逐渐缩小,当T=1.075T_c时,混沌特征消失,各工况均符合类随机规律.混沌系统表现为较类随机系统更小的样本熵,在不同系统温度下,均在偏离拟临界点较远处得到较大值,并在一个小区域内收敛,此时样本熵的变化受系统温度的影响逐渐减小,密度起主导作用.     

热子气-气体和金属中热量传递的载体

热子气可以认为是热传导的主要载体, 是热量传递的载体. 类似于介电体中晶格振动能量量子化定义的声子, 大量的声子组成了声子气. 在气体和金属中则可以根据无规则运动的分子和电子所具有的能量定义热子, 大量无规则运动的热子就组成了热子气. 热子和声子、光子一样都没有静止质量, 但是热子的动质量可以连续变化, 即热子是非量子化的准粒子. 热子气在一定温度梯度驱动下的定向运动就形成了热流. 根据Einstein质能关系可以得到热子的质量为m_h=E/c², 即热能除以光速的平方. 热子气是具有真实质量的可压缩流体, 根据气体动力学原理, 并结合理想气体和金属中电子气的统计规律分别得到了两种体系中热子气的状态方程, 通过流体力学分析方法进一步推导出热子气的动量守恒方程, 它是具有阻尼的波动方程, 也就是普适导热定律. 基于热子气概念得到的普适导热定律可以用于定量研究由于热惯性作用而导致的极端条件下的非Fourier导热现象, 例如在超快速激光加热实验中出现的热波现象. 在通常情况下当热质惯性力作用可以忽略时普适导热定律将退化为Fourier定律. 利用两阶精度的有限差分格式, 计算了超快速飞秒激光加热金属薄膜条件下普适导热定律的热波解, 结果显示热波传递的波动性会随着热子气运动惯性作用的增强而增强.     

石墨烯中热波传递的分子动力学研究

采用非平衡分子动力学模拟方法,通过向扶手椅型和锯齿型单层石墨烯施加持续时间为1 ps的局部热脉冲,研究了其瞬态导热规律和特性.模拟结果表明,热脉冲在石墨烯中激发出两道以不同速度传递的波,一道波具有宏观动量,传播速度等于声速,是系统受热膨胀形成的声波(第一声);另一道波无宏观动量,传播速度约为声速的1/3,是晶格无规则振动形成的热波(第二声).热脉冲激发的声波是纵波,能量传递只有纵向分量,而热脉冲激发的热波是由面内横向晶格振动形成,只有横向能量分量.热量传递表现出的各向异性说明,在热脉冲传递过程中系统处于非平衡状态.另外,统计得到热脉冲能量传递距离与时间的关系约为2 1.80????t,说明热脉冲能量在石墨烯中是以弹道-扩散的方式传递的,弹道输运越强,热波现象越显著.热波波峰区域的能量传递为弹道输运,而在高温扩散区和热波衰减部分的能量传递则为扩散输运.     

生物活体温升振荡效应的热波解释

生物活体组织受热而发生温度振荡的事实是生物传热领域内长期得不到合理解释的经典难题.Roemer等在其系列文章中详细研讨了这一问题,但实验难圆其说;Tharp等则人为选定一时间滞后方程描述该现象,但却缺乏严格理论基础.我们将更能反映导热本质的热波理论引入Pennes生物传热方程,成功地解决了上述问题.Pennes方程为-(?)·q+W_hC_h(T_h-T)+q_m+q_r=ρC(?)T/(?)T.(1)非Fourier效应导热公式为     

我国科学家发现新型“颗粒时钟”

将一杯水置于火上,水温会上升;置于冰上,水温会下降,此为平衡态体系的特性.分子的热运动会使体系温度趋于环境温度,分子在体系内均匀分布.若将一定数量的小球任意地放在以小孔相通的分隔容器中,施加振动驱动,小球会像气体分子一样活跃地无规则运动.这种由宏观颗粒组成的气态运动体系,由于颗粒间的非弹性碰撞,每碰撞一次,     

GaInP/GaAs/Ge三结叠层光电池光谱响应的温度特性

利用金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)制备了转化效率达27.1%的GaInP/GaAs/Ge三结叠层电池, 并对其光谱响应的温度特性进行了测量研究. 通过光谱响应曲线观察到各子电池的吸收边随温度升高发生红移, 这主要归因于电池材料禁带宽度的变窄效应. 根据光谱响应数据计算得到的GaInP/GaAs/Ge叠层电池各子电池在室温下的短路电流密度分别为12.9, 13.7和17 mA/cm², 且叠层电池的短路电流密度的温度系数为8.9 μA/(cm²·℃). 最后, 根据叠层电池的串联结构推导了其电压温度系数为-6.27 mV/℃.     

热磁对流氧浓度传感器感应机理的实验

氧浓度分析仪被广泛地用于各行各业中,热磁对流氧浓度传感器具有使用寿命长、测量准确度高等优点.它巧妙地利用热磁对流现象引起传感器壁面温度的变化来感知氧气浓度的变化.但是由于热磁对流现象较为复杂,其感应机理尚不明确,为了进一步提高热磁对流氧浓度传感器的测量精度,有必要对其感应机理深入研究.本文通过实验的方法研究了两块方形磁铁构成的非均匀磁场作用下薄壁圆管中顺磁性气体在其中的传热特性.实验结果表明:圆管壁面温度在磁场的作用下较无磁场时有明显的降低,且随着热流密度的增大,管壁温度降低得越明显,管壁温度与热流密度成线性关系;随着热流密度的增大,热磁对流现象引起的平均速度及对流换热系数均增大;氧气浓度每增加10%,管壁温差降低0.12℃,即氧气浓度越高热磁对流现象越明显;所研究系统对于氧气浓度的分辨率约可达0.08%.     

沥青路面结构内部的力学响应特征及分析

为了揭示沥青路面结构内部的力学响应特征及变化规律,为研发适合我国国情和公路建设特点的沥青路面结构设计方法提供可靠的实测数据,依托我国足尺路面试验环道RIOHTrack,开展了沥青路面结构内部应力应变等力学响应的持续跟踪观测,分析了不同影响因素下力学响应行为的变化规律.结果表明,沥青路面结构内部的力学响应具有明显的温度依赖性和荷载依赖性,且随着温度、荷载的变化呈现显著的非线性变化特征,并表现出以年为周期的交替波动变化;温度变化除引起力学响应数值的增减以外,还会引起某些位置处力学响应方向的改变,出现压缩到拉伸或者拉伸到压缩的状态转换,应变与温度的关系曲线存在拉伸-压缩转换点和应变0值线,出现压缩-拉伸转换的深度位于24～36 cm之间,随着温度的升高,压缩-拉伸转换的位置会渐渐背离路表而向下移动;沥青层层底应力、应变响应随着荷载水平的增加而显著增大,并表现出明显的非线性变化趋势,尤其是在高温、重载时非线性现象更加明显.研究成果可为完善沥青路面设计及分析方法提供一定的数据支撑.     

聚光型太阳能热发电系统非均匀辐射能流特性及解决方法的研究进展

分别对槽式、线性菲涅尔式、塔式、碟式4种聚光型太阳能热发电技术中的聚光集热系统内非均匀辐射能流分布特性及由此带来的问题和挑战进行了总结,重点回顾了针对非均匀辐射能流特性带来的问题所提出的解决方法的研究进展,包括作者团队近年来在该方面的相关研究.分析看出,吸热器内的太阳能辐射能流分布表现出强烈的非均匀性,不均匀的辐射能流分布必然造成吸热表面/吸热体内不均匀的温度分布,即出现过高的局部温度、过大的温度梯度.局部温度过高容易造成局部热斑烧毁、吸热涂层性能减退、传热流体变性劣化;温度梯度过大导致出现热应力热变形,容易造成吸热器关键部件的结构失稳破坏.接着指出,非均匀的能流分布之所以给聚光集热系统带来诸多挑战,其根源在于吸热器内均匀的吸热能力与吸热表面/吸热体内非均匀的能流分布之间不能相互匹配,进而导致吸热表面/吸热体出现不均匀的温度分布.据此,作者将现有的解决方法总结分类为两种途径:(1)优化吸热器的"吸热"能力,使之与非均匀分布的太阳能流相匹配;(2)均化"聚光"系统内吸热表面/吸热体内的太阳能流分布,使之吸热器内均匀的吸热能力相匹配.最后,本文提出了解决聚光集热系统内非均匀能流特性问题的思路:需要从"聚光"与"吸热"不匹配的矛盾入手,以"光热匹配"为原则对聚光集热系统进行优化,提高"聚光"过程与"吸热"过程的协同性.     

密度分层流体中不同潜深拖曳回转体激发内波特性实验

在具有强密度跃层的分层流体中,采用沿水槽中纵剖面对称布置的电导率探头阵列方法,对长径比为7.7的轴对称回转体在5种不同潜深下拖曳运动激发内波时空特性进行了系列实验.结果表明:存在一个与潜深无关的临界转捩Froude数Fr_c=3.64,当Froude数FrFr_c时,在不同潜深下,内波相关速度均与物体运动速度一致,体积效应内波为主控内波,但内波反对称度随Fr增大而增大,表明尾迹效应内波的影响也随着增大;同时,存在一个内波峰值Froude数Fr_p≈1.33,当FrFr_p时,无量纲内波最大峰-峰幅值随Fr增大而增大,而当FrFr_p时,无量纲内波最大峰-峰幅值随Fr增大而减小.当FrFr_c时,在不同潜深下,内波相关速度均小于模型运动速度,其相关速度Froude数Fr_(iw)均在0.7~1.4之间的一个条带内变化,内波反对称度近似在某个小于0.5的常数附近波动,尾迹效应内波中对称部分略为占优,而且尾迹效应内波中对称和反对称部分的水平张角均近似为20.6°;同时,无量纲内波最大峰-峰幅值均随Fr增大而近似线性增大,而且其线性增大的斜率与潜深之间近似满足指数衰减关系.特别地,本文工作表明,现有文献认为尾迹效应内波关于轴对称回转体纵剖面是对称的先验假定是不合理的.     

聚光和非聚光光伏-热电耦合系统的优化

基于能量平衡建立了光伏-热电(PV-TE)耦合发电系统的一维稳态导热模型,研究了在不同的光伏电池效率温度系数和热电优值系数条件下PV-TE耦合发电系统的性能.(1)对于非聚光PV-TE耦合系统,分析了热聚焦因子、热电引脚长度和TE模块的负载电阻与内阻之比对系统发电效率的影响.结果表明:在TE模块的优值系数Z=4×10~(-3)K~(-1),电池效率温度系数β_(ref)=0.001 K~(-1)的情况下,系统总效率相对较好.此时总效率随着热聚焦因子、热电引脚长度、TE模块的负载电阻与内阻之比的增加,均是先增大后减小.因此,可选择最佳的热聚焦因子、热电引脚长度、负载电阻的值,使系统总效率达到最大值.(2)对于聚光PV-TE耦合系统,研究了热电引脚对数和热扩散因子对系统性能的影响.结果表明在Z=2.545×10~(-3)K~(-1),β_(ref)=0.001 K~(-1);Z=4×10~(-3)K~(-1),β_(ref)=0.001 K~(-1);Z=4×10~(-3)K~(-1),β_(ref)=0.0015 K~(-1)情况下,总效率随着热扩散因子的增加而减小.当热扩散因子从0.32上升到5.12时,对于其他β_(ref)和Z的情况,总效率会显著增加.当热扩散因子继续增大时,由热扩散因子增加引起的效率变化非常平缓,原因在于热扩散因子足够大时,热传递非常快,PV电池和TE热侧的温度随热扩散因子变化很小.基于研究结果,可以发现当聚光系统的热扩散因子在3.0左右时,耦合系统具有相对高的效率.     

晶格匹配InAlN/GaN异质结Ti/Al/Ni/Au欧姆接触的温度依赖特性

在硅衬底晶格匹配In_(0.17)Al_(0.83)N/GaN异质结外延片上制备了Ti/Al/Ni/Au欧姆接触传输线模型测试结构,通过测试变温电流-电压特性研究方块电阻(R_(sh))和比接触电阻率(ρ_(sc))的温度依赖特性.结果表明:(1)沟道层的R_(sh)对温度呈指数依赖关系,幂指数约-2.61,主要由高温下半导体的晶格散射机制决定;(2)300~523 K的变温范围内,ρ_(sc)随温度上升呈先增大后减小的趋势;当温度低于350 K时,ρ_(sc)的温度依赖关系主要由TiN合金的类金属特性决定;而在更高的温度下,热场发射机制将逐渐占主导.基于以上2种模型的并联形式对实验数据进行了拟合,并分析了提取的重要物理参数.     

两种不同结构的混合流体局部行波对流斑图

通过流体力学基本方程组的二维数值模拟,探讨了长高比?=20的矩形腔体中有较强Soret效应的混合流体对流中的局部行波的形成及含有缺陷的局部行波的动力学特性.当分离比?=?0.60时,在分叉曲线的鞍结分叉点附近相对Rayleigh数为r=1.926~2.074的范围内,出现了无缺陷局部行波.然后,随r逐渐增加,系统由无缺陷局部行波过渡到含有缺陷的局部行波并在r=2.075~2.224的范围内形成稳定的含有缺陷的局部行波.局部行波对流的宽度随r增加而增加,并在r=2.075处随着对流斑图的转变突然加宽.再随r增加,含有缺陷的局部行波失去稳定,对流控制整个腔体并演化成有缺陷的行波.有缺陷的局部行波是我们发现的新型对流结构.有缺陷的局部行波的形成依赖于局部行波的对流宽度.在具有缺陷的局部行波存在范围内,这种缺陷出现的周期随r增大而增加.