微细窄通道内纳米线表面的过冷沸腾流动与传热特性

微/纳米结构表面对流动沸腾过程有着显著影响,被应用于高热流的设备散热中.为了进一步探究其物理规律,以去离子水为工质,配合高速摄像观测,研究了截面为0.5 mm×5 mm的矩形微细窄通道内纳米线表面的竖直流动过冷沸腾.一种TiC纳米线的直径约230 nm,高度约4μm;另一种直径约535 nm,高度约12μm.过冷沸腾的质量流量是200和300 kg/(m²s),过冷度为10 K,热流密度范围是20～200 kW/m².分析了不同工况下过冷沸腾的沸腾曲线、平均换热系数和两相流流型.研究发现, 4μm高度纳米线表面的两相换热系数更高,但高热流条件下传热恶化更早. 4μm高度纳米线表面形成了"形成拉长气泡——气泡上下游扩张——局部干涸——流体重新润湿"的周期性两相流型,而12μm高度纳米线表面的流型在高热流下仍以气泡聚合以及形成受限拉长气泡向下游扩张为主.     

通道结构强化微通道流动沸腾流动与传热

开展了R134a/R245fa非共沸混合工质及其纯组分工质在不同通道结构的平行微通道内流动沸腾特性的探索性工作.提出了具有内部连通区域的分隔型微通道结构,重点探讨了通道结构对流动沸腾传热特性与压降特性的影响.研究结果表明,与连续型微通道相比,纯组分工质在分隔型微通道中的流动沸腾传热效果略有增强,但非共沸混合工质却略有减弱.无论纯组分工质还是非共沸混合工质,分隔型微通道内部连通区域的存在对于延迟传热恶化的出现、提高流动沸腾CHF均有所帮助.此外,分隔型微通道可以显著降低非共沸混合工质及其纯组分工质流动沸腾过程中的压降,且工质的液-气密度比越小,内部连通区域对压降的改善效果越明显.     

烧结多孔表面分布式阵列射流沸腾

使用50, 100和200μm粒径的铜粉,分别烧结制作了厚度为2倍粒径的多孔结构表面,以新型环保电子冷却液HFE7000为工质,进行了分布式阵列射流沸腾的换热性能实验,并将实验结果与光滑表面进行了对比.结果表明,烧结多孔表面增加了对流换热面积,增强了流体扰动,大大强化了单相段换热性能,且流量越高,强化效果越显著;100和200μm颗粒烧结表面的强化效果接近,且明显好于50μm颗粒烧结表面,表明粒径和厚度对传热性能具有重要影响.在射流沸腾换热过程中,多孔烧结表面提供了更多的气化核心和更大的换热面积,但同时也增加了蒸汽逸出阻力, 100μm颗粒烧结表面强化效果最佳,其最大沸腾换热系数比光滑表面提高了61%.分布式射流是沸腾表面补液的主要途径,由于HFE7000本身表面张力小、亲水性好,多孔表面吸液能力对于临界热流密度(critical heat flux, CHF)的影响较小, 100μm颗粒烧结表面的CHF和光滑表面相比仅提高了17%.尽管如此,烧结多孔表面的核态沸腾偏离点(departure from nucleate boiling, DNB)与CHF之间的热流密度区间显著变大,对实...     

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.     

带有超疏水点阵的微细铜丝上的核态沸腾

表面亲疏水特性对沸腾有着重要影响.本文在直径为150μm的铜丝上修饰了宽度为100μm、间距为3 mm的超疏水点阵.借助微细丝较好的观测特性,对疏水点阵上的沸腾过程,尤其是气泡脱离及相互合并过程进行了细致考察.研究了单个疏水点大小对起泡的影响,并对带有疏水点阵的铜丝上的沸腾换热模型进行了初步考察.超疏水点阵可以显著提高核态沸腾换热效率,初步认为其主要原因在于点阵使得起泡更加容易,且沿加热丝更加均匀,但最优的核化点密度及其与铜丝的固体热性能的关系还有待进一步研究.     

歧管式微通道热沉中过冷流动沸腾的数值模拟

歧管式微通道(manifold microchannel, MMC)热沉散热技术是新兴的微尺度电子冷却技术,具有较高的散热潜力和应用前景.本文使用基于开源软件OpenFOAM编写的自编程求解器,对MMC热沉内过冷流动沸腾的过程进行数值模拟研究.与实验数据进行比对验证之后,对微通道热沉的通道宽度和翅片宽度变化带来的影响进行了初步探讨.结果表明,当通道和翅片的宽度相同时,尺寸越小,热沉加热面的平均温度越低,换热性能越好;但是当宽度过小时(小于15μm),热沉进出口总压降将随着宽度变小而大幅增加.当MMC热沉的通道总数保持不变时,增大微通道宽度,翅片宽度减小,加热面平均温度逐渐上升,进出口压降减小.与经过实验测试的热沉样品A相比,热沉C在牺牲少量换热性能的前提下,可以大幅度降低热沉进出口的压力损失.     

端部圆角结构提升带针肋微通道热沉均温性

布设针肋的微通道因其具有较高的强化传热传质效率而得到了广泛应用,但针肋背风侧端部存在的局部高温区域和整体较差的均温性将会提升换热表面的温度梯度,产生额外扩展热阻,将在很大程度上影响系统的调制响应,以及设备的经济性和可靠性.为解决上述问题,本文提出了采用端部圆角结构改进带针肋微通道热沉均温性的研究思路,并详细分析了其周期性层流流动换热性特性,由结果可见,Re=0~120时该新型针肋强化了微通道内的展向和法向二次流,提升了外侧换热面和针肋表面的均温性,有效消除了针肋背风侧端部的局部高温区域,并且随着圆角半径的增加,上述效应逐渐增强,通道努塞尔数最大增加了16.93%;而与传统带针肋微通道热沉相比,该新型微通道的阻力系数并未明显增加,因此,通道综合热性能系数最大增加了16.22%.此外,随着Re数继续增加,圆角结构对通道换热性能的影响逐渐减弱.     

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.     

非均匀热流下R245fa/R134a两相流型及换热特性

针对有机工质在非均匀热流边界条件下的气液相变问题,基于质量分数配比为0.7:0.3的非共沸工质R245fa/R134a,建立了非均匀热流下10 mm内径水平管内的两相流动沸腾换热实验系统.实验工况为质量通量175～373kg/(m²s),热流密度9.95～47.57 kW/m².利用高速摄像仪和图像处理技术,对观察到的泡状流、塞状流、分层流和环状流4种流型进行了灰度值分析,并分别绘制了非均匀加热和均匀加热时的流型图.基于流型分析了干度、质量通量、热流密度和饱和温度对两相换热系数的影响,并将实验数据与4种现有关联式进行对比.结果表明,在相同的加热量下,相比于均匀加热条件,非均匀加热条件下流型由间歇流转变为环状流时的初始干度更低;换热系数在低干度区随干度变化较小,而在干度较高的环状流区域随干度增大而增大.此外,换热系数随质量通量、热流密度增大而增大,而饱和温度对对流沸腾区换热系数的影响不大,对核态沸腾区有一定影响.在非环状流区域4种换热关联式的预测能力都表现较差,而在环状流区域Sun&Mishima关联式的预测精度相对最高.     

沸腾与冷凝传热及强化

<正>沸腾与冷凝传热是伴随有巨大汽化潜热吸收和释放的相变对流传热,与无相变对流传热相比,其换热系数具有数量级的差别,是一种非常高效的传热方式.沸腾包括池沸腾和流动沸腾,而冷凝包括膜状冷凝和珠状冷凝.沸腾与冷凝传热在众多的工业过程中均有广泛的应用,如航空航天、电子工业、化工、机械制造、食品     

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.     

布置带劈缝球凸结构微通道热沉内流动和换热特性

将球凸结构与鲨鱼皮仿生概念相结合,提出了带劈缝的球凸结构,并对布置该结构微通道内的流场结构和换热特性进行了数值分析.研究结果表明,宽劈缝通道有利于降低其尾缘逆压梯度,抑制通道流动分离;劈缝通道外移,劈缝壁面温度明显降低,通道尾缘分离泡尺寸减小;斜劈缝通道将主流沿展向引射到侧面,强化了通道二次流,有效降低了侧面角区温度,通道各壁面的温度均匀性得以提升.相同条件下, B方案(劈缝中心线在球凸直径上相对位置w/D=0.25)通道相对范宁摩擦系数(f/f_0)较小,劈缝宽度较大的工况中上述趋势更为明显,而劈缝宽度为10μm的微通道换热能力优势明显; A方案(w/D=0.33)中,劈缝宽度为15μm的通道f/f_0很低,其综合热性能(TP)较好.本研究中布置带劈缝球凸微通道TP最大为185.3%,表现出了良好的强化换热和节能性能.     

矩形通道内伴随冷凝的烟气对流换热的优化

针对矩形通道内伴随水蒸气冷凝的烟气对流换热,建立显热和潜热火积平衡方程,并导出火积耗散的表达式.利用火积耗散极值原理获得了伴随冷凝的烟气对流换热的场协同方程,并通过数值求解包括场协同方程在内的控制方程组,得到了矩形通道内的最优速度场为多纵向涡的流动结构,该流型提高了速度场与温度场、速度场与浓度场之间的协同程度,从而可以在黏性耗散增加较小的条件下使传热传质过程得到显著强化.在通道内布置不连续双斜肋可以产生接近于最优流场的多纵向涡流动,在Re=600时,与光滑通道相比,不连续双斜肋通道中烟气的总换热量增加29.02%,冷凝换热量增加了27.46%.     

微纳通道中牛顿流体毛细流动的研究进展

毛细流动广泛存在于自然科学与工程技术等诸多领域,微纳通道中毛细流动近年来在微纳机电系统、生物医学、环境监测、石油开采、多孔介质渗流等领域获得了广泛应用.描述宏观牛顿流体毛细流动过程的是Lucas-Washburn(LW)模型,该模型在微纳通道中的适用性还没有定论,因而受到国际学术界关注.本文从理论模型、数值模拟和实验研究3个方面综述了微纳通道中牛顿流体毛细流动的研究进展,已有的研究表明需要对毛细流动进行分区讨论:(1)惯性力作用区,流动距离与时间t成正比;(2)黏性力-惯性力作用区,惯性力、毛细力、黏性力均对流动有影响;(3)黏性力作用区,黏性力与毛细力平衡,流动距离与t~(1/2)成正比;(4)竖直管道中还需要考虑重力的影响,存在黏性力-重力作用区.在黏性力作用区,LW模型仍然可以定性描述微纳通道中毛细流动过程,但需要引入动态接触角、气泡、电黏性等影响因素的修正.最后针对目前实验研究中存在的一些问题,总结有待深入研究的方向.另外,本文也对非牛顿流体毛细流动的研究做了简单介绍和展望.     

核态池沸腾传热现象中的重力标度规律

沸腾过程极强的热传递能力使其在地面常重力环境和空间微重力环境都有着广泛应用.重力是影响沸腾传热性能的重要因素,关于重力影响规律的研究对相关空间应用具有重要意义.本文回顾了有关核态池沸腾传热重力标度规律的研究现状和进展,特别对基于地基短时失重飞机准稳态沸腾实验结果提出的Raj-Kim-McQuillen重力标度律模型(RKM模型)进行了详细评述,讨论了其中关于核态池沸腾曲线起、止端点(沸腾起始点和临界热流点)及其渐近性能的基本假设和隐含假设.通过与经验知识(包括实验观测数据和数值模拟结果)比较,明确了RKM模型的贡献与不足,建议了进一步的低重力实验和深入系统的数值模拟等,以推进该领域研究深入开展.     

中低温烟气换热器气侧积灰、磨损及腐蚀的研究

工业烟气具有含灰量大、含黏性物质及含腐蚀性气体多的特点,易造成烟气换热器换热表面积灰、磨损和腐蚀等一系列严重问题,是余热回收领域目前亟待解决的研究课题.本文对中低温余热回收所用的管排式烟气换热器的积灰、磨损及腐蚀特性等方面的研究进行了总结和回顾,分析了换热器换热表面积灰、磨损及腐蚀的形成原因及影响因素,同时介绍了近年来作者团队在换热表面飞灰颗粒沉积、磨损及腐蚀特性方面开展的有关研究结果.首先,对现有的和前期作者团队建立的颗粒碰撞沉积模型进行了简要回顾,并以前期团队开展的工作为例,具体介绍了管排式烟气换热器的积灰特性及其影响因素,并给出了能有效减轻积灰的椭圆管换热器设计;接着,介绍了气固两相绕流换热管的流动和磨损特性,以及烟气参数对磨损特性的影响规律;随后,介绍了一种预测换热器表面酸蒸气凝结的耦合计算方法,说明了运行参数和几何参数对换热器局部腐蚀特性的影响规律,并给出了相应条件下的H型翅片管换热器的酸传质计算关联式;同时,介绍了团队前期提出的在线检测和实验室低温腐蚀装置,说明了不同材料的抗腐蚀特性及换热面积灰与酸的耦合作用机理.最后,对中低温烟气换热器积灰、磨损及腐蚀特性的研究前景进行了展望.     

"沸腾"的石头--沸石

如果有人说石头也会沸腾,那么绝大多数人都不会相信。但事实上,确实有这么一类“石头”,它们在加热的过程中会“沸腾”起来,只不过这种“沸腾”不像水和其他液体那样剧烈,只是具有明显的起泡和轻微沸腾的现象。这一类“石头”便是大名鼎鼎的“沸石”。 沸石,英文名称为zeolite,在希腊语中就是“沸腾”的意思。1756年,瑞典的矿物学家克朗斯特德     

小尺度庚烷池火燃烧速率实验研究

对小尺度庚烷薄油池火燃烧速率特性进行实验研究. 测量了不同直径庚烷油池火焰高度、燃烧速率以及燃油温度随时间变化规律, 计算了燃烧过程中燃油的液面温度和池壁热流密度. 综合油池燃烧现象和各种测量参数提出了小尺度薄油池火的4个典型燃烧阶段, 并探讨了池壁热流密度对油池沸腾燃烧的影响. 结果表明: 油池沸腾燃烧阶段的火焰高度和燃烧速率明显大于准稳态燃烧阶段; 燃油液面温度在油池燃烧初期迅速上升至沸点, 随后基本保持不变; 池壁温度达到并超过燃料的沸点, 从而在油池壁面上发生核态沸腾, 是油池发生沸腾燃烧的条件.     

沸腾传热研究历史、现状及发展方向的哲学思考

本文通过对沸腾传热历史的回顾,从哲学上分析了实验观察和理论思维在沸腾传热发展历史中的作用。从自然科学发展模式的角度考察了沸腾传热研究的历史、现状和未来。认为系统科学,特别是非线性科学与沸腾传热学的结合是未来沸腾传热学发展的重要方向。     

有限通道内蒸汽射流凝结压力振荡强度特性

蒸汽喷射器是一种汽液直接接触换热设备,具有体积紧凑、换热强度大等优点,在现代工业中有着很好的应用前景.但是,由于其混合腔内汽相与液相直接接触凝结过程的不稳定性,会造成装置运行时产生较大的噪音和振动,不仅形成环境污染且危害设备安全,限制了该装置的进一步推广.本文针对有限通道内蒸汽射流凝结所引起的压力振荡特性进行实验研究,揭示噪音与振动产生的机理,为蒸汽喷射器的设计与运行提供实验指导.实验获得了进汽质量流率150~600 kg/m~2 s、进水质量流率6×10~3~18×10~3 kg/m`2 s、进水温度15~40℃下通道内的动态压力信号,同时采用高速摄像机捕捉汽液相界面的行为和凝结流型.结果表明:根据汽液相界面的行为特征可以将流型分为两大类——不稳定流型和稳定流型.对通道内动态压力的振荡强度特性进行研究,发现随着进水质量流率增加,压力振荡强度在稳定流型区变化不大,但是在进入不稳定流型区以后迅速增大;随着蒸汽质量流率增加,振荡强度在不稳定流型区内逐渐增加,进入稳定流型区后迅速降低,然后在稳定流型区内再次增加;随着过冷水温度的升高,振荡强度在整个流型区域内缓慢增加.