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.     

微通道稀薄气体流动换热特性的研究

用直接模拟Monte Carlo方法对处于Kn = 0.05~1.0范围下的微通道内气体的换热特性进行了分析研究, 结果给出了不同Kn数、不同横纵比下通道内气体温度、壁面热流密度的变化曲线以及同一工况下壁面总的热流密度与局部热流密度随进口流速的变化曲线. 结果表明, 微通道内的换热主要集中在进出口处, 中间部分的换热很微弱, 其换热特性与Kn数及通道的横纵比有很大的关系, 进口流速对总的换热量影响不大, 但却改变了局部热流密度的分布.     

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.     

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.     

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.     

新型矩阵式微射流热沉性能分析

设计一种带有回流结构的矩阵式微射流热沉,采用实验和数值模拟方法对热沉性能进行了研究.在稳态条件下,获得了不同运行和结构参数时被冷却表面的温度分布、流体的速度场以及系统压损.结果表明:冲击距离对热沉性能影响较大,其值越小,平均努赛尔数越大,被冷却表面的平均温度越低,换热均匀性越好;被冷却表面平均温度与气体体积流量成反比;系统压损随着射流雷诺数的增大不断增大,雷诺数大于5500以后,压损急剧增加;换热均匀性与气体体积流量成反比,气体体积流量越大,换热均匀性越好.     

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.     

微穿孔板吸声体混合结构的声学性能研究

为解决单层微穿孔板吸声体中高频吸声效果较差、多层微穿孔板尺度较厚且高频吸声效果较差的问题,通过在单层微穿孔板前侧增加多孔材料构建了混合吸声结构。继而在单层微穿孔板等价多孔材料模型的基础上,提出了微穿孔板混合结构的吸声系数计算方法,利用VA One软件的Foam模块建立了混合结构的模型,模拟计算混响室中的扩散场吸声系数。仿真结果表明,该结构可显著提高低、中、高三个频段的吸声系数,在不增加额外厚度的基础上实现全频段高吸收(吸声系数接近1)的效果,所采用的仿真计算方法简单高效。提出的混合结构及其计算方法对指导设计宽频吸声结构具有参考意义。     

壳体辐射物性参数对平流层飞艇热特性影响的研究

建立了飞艇的传热数学模型,包括热平衡方程,太阳直射辐射、天空散射辐射、地面反射辐射、大气长波辐射、地球长波辐射、对流换热,以及飞艇内表面之间的辐射换热等。在此基础上,对平流层飞艇悬浮过程中壳体和浮升气体的温度变化进行了数值模拟,得到定点悬浮过程中平流层飞艇壳体的三维温度分布和飞艇浮升气体昼夜变化规律,重点分析了壳体辐射物性（太阳吸收率和发射率）对浮升气体温度昼夜变化和飞艇壳体温度分布非均匀性的影响,从而便于计算和分析由热问题引起的壳体应力,为飞艇壳体的选择和设计提供依据。     

螺旋折流板波槽管换热器换热性能实验研究

以水为工质,对弓形折流板光管换热器、螺旋折流板波槽管换热器以及螺旋折流板光管换热器进行了传热实验。结果表明,螺旋折流板波槽管换热器具有良好的换热能力,螺旋角对螺旋折流板换热器壳程换热影响较大。与折流板数量为14个和5个的弓形折流板光管换热器相比,螺旋角为9.8°的螺旋折流板光管换热器的壳程换热系数分别提高了4%~60%和5%~70%;螺旋角均为9.8°的螺旋折流板波槽管换热器与螺旋折流板光管换热器相比,前者的壳程换热系数和管程换热系数分别提高了2%~26%和60%~120%;与螺旋角为9.8°的波槽管换热器相比,螺旋角为6°和8°的波槽管换热器的壳程换热系数分别提高13%~48%和5%~37%。     

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.     

多孔介质内火焰传播与驻定机理的研究

采用多孔介质内的一维反应流模型和详细的化学反应机理GRI3.0,数值模拟多孔介质内的预混燃烧过程。通过对能量方程中各项大小的考察,以及对火焰传播速度随火焰位置、相间对流换热系数、固体导热系数、消光系数等参数的敏感性分析,深入浅出地阐述了多孔介质中浸没火焰和表面火焰的传播和驻定机理。结果表明,多孔介质中浸没火焰的传播机理与有预热的层流预混自由火焰传播机理相似,表面火焰传播机理与反应区有热损失的层流预混自由火焰传播机理相似。     

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.     

各向异性的气体-颗粒介质内的二通量辐射传热模型

二通量模型是计算气体-颗粒平板内辐射热通量的简化方法. 在最初的二通量模型中, 辐射场被假设成在半球方向的各向同性. 但是对于燃烧领域的气体-颗粒混合介质, 颗粒的散射通常都是各向异性的, 这样, 原有的二通量模型就会由于忽略各向异性而产生严重的误差. 文中一个多层四通量模型被运用到包含气体-颗粒混合物的辐射热通量的计算. 给出了模型的解析求解过程, 定义了等价的平均交叉系数h和前向散射率z来描述整个平板散射的各向异性. 为了验证模型的准确性, 计算了一个无限大平板内的辐射传递过程, 并与解析结果进行了比较. 结果表明提出的模型能够得到准确的结果, 对原有的二通量模型具有较好的改进作用. 运用本模型计算含有飞灰/CO₂/H₂O的燃烧产物的辐射传递, 所得到的平板发射率与Goodwin的经典结果相吻合.     

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50和100μm时,正六边形喷嘴阵列拓扑下复合换热结构压降较小,但换热效果也受到局限;菱形喷嘴阵列拓扑虽然具有最高的局部对流换热系数(150000 W/(Km~2)),但微针翅表面的换热系数较低,温度分布的不均匀程度较大;正方形喷嘴阵列拓扑下热沉的性能具有显著优势,压降仅3150 Pa时,总热阻低至0.099×10~(-4)Km~2/W.该复合热沉结构具有高拓扑性,易于与不同形状大小的芯片相结合,在进一步降低结构尺度和接触热阻后,将在高热流密度芯片冷却领域展示出更好的应用潜力.     

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．     

微纳米线材多物性参数综合表征系统的研发

微纳米线材具有与宏观材料显著不同的性能,在微纳机电系统传感器和微纳电子器件中有广泛的应用.由于宏观尺度下的测量方法难以适用于纳米尺度材料物性的表征,研发表征微纳米线材物性参数的方法和技术越来越引起广泛关注.本文开发了一套综合测量微纳米线材热物性、电物性和热电转换性能的高集成表征系统,能够实现对微纳米线材在40~500 K范围内的精确综合测量,可测量的物性包括电导率、电阻温度系数、热导率、热扩散率、比热、吸热系数、塞贝克系数和优值系数.针对上述系统,本文进行了不确定度分析,且对已知物性参数的铂(99.95%Platinum)和康铜(Constantan,60%Cu 40%Ni)细线进行了测量和对比,校验了本系统的测量精度.本文研发的表征系统填补了国际上纳米线材多物性参数测量系统的空白.     

M3C型碳化物层内和层间键合力迥异系数

根据固体与分子经验电子理论，计算了低合金白口铸铁中Ｍ３Ｃ型碳化物的价电子结构及其晶胞中各共价键的键能，提出了层内与层间键合力贮迥系数θ，并据此分析了凝固过程中合金元素Ｃｒ，Ｍｎ和Ｗ对渗碳体形貌的影响。     

内编队中残余气体对内卫星的干扰分析和计算

在内编队系统中,内卫星在外卫星的封闭腔体内自由飞行,其轨道是纯引力轨道.由于腔体内温度的不均匀和内卫星与腔体的相对运动,腔体内的残余气体对内卫星产生干扰作用.本文基于自由分子流理论推导了残余气体分子对内卫星的干扰作用表达式,包含了辐射计效应、气体阻尼作用.同时,对腔体和内卫星构成的系统进行传热分析,得到了腔体内壁和内卫星表面的温度分布;对内编队保持控制进行仿真,得到了内卫星的相对运动速度.根据较为真实的温度分布和相对运动速度,计算了内卫星受到的残余气体作用力.计算结果表明,在内编队当前设计下,辐射计效应量级为1011ms2,气体阻尼量级为1015ms2,残余气体的干扰作用主要表现为辐射计效应.     

碳酸钙于换热表面结垢的传热与传质模型

建立了碳酸钙于换热表面结垢的传热传质模型。模型中不仅考虑了换热表面的析晶污垢,同时也考虑了由于过饱和在溶液中成核而形成的颗粒垢。对混合污垢的沉积与脱除分别予以表达,并将结垢过程的溶液及污垢特性应用其中。另外,模型还根据换热器中垢层传热的特点综合考虑了结垢与温度场的耦合作用,得到了换热表面污垢热阻随时间变化的数值。模型预测与实验数据吻合得很好,偏差大部分小于15％,说明预测模型是正确可靠的。