Ω型凹槽微通道内的汽泡行为及流动沸腾特性

针对Ω型凹槽微通道内流动沸腾,运用VOF(volume of fluid)模型和用户自定义函数,对微通道内发生的一系列汽泡行为进行了数值模拟.结合Ω型凹槽微通道内汽泡成核生长、聚并、脱离的动态演变过程,分析Ω型凹槽微通道流动沸腾换热的特点.结果表明:与平直微通道相比,Ω型凹槽微通道内的汽泡行为较为不同,汽泡脱离周期缩短,主流区温度降低,汽泡与受热壁面之间存在液体薄层,有助于提升流动沸腾换热的稳定性、可靠性;不同的凹槽结构(凹槽深度H、凹腔直径D)强化传热效果不同;H=50μm,D=80μm的Ω型凹槽微通道,其换热系数最高;H=30μm,D=50μm的凹槽微通道则对应最低的换热系数;凹腔直径对微通道内的压降影响较为明显,较大的凹腔直径对应较高的压力损失.     

狭缝流动沸腾强化传热机理的探讨

假定总热流密度来自对流和汽泡潜热两种成份的叠加,从理论上分析了狭缝通道中流动沸腾传热的机理,揭示了沸腾换热系数与通道尺寸之间的关系,从而证明了狭缝通道能强化传热,并以间隙为1mm和1．5mm的环形狭缝通道中流动沸腾传热的实验数据进行了检验。     

梯形微通道气液分相强化换热实验研究

针对微通道换热器强化沸腾换热,提出分段式梯形换热结构,该结构可实现气泡在表面张力驱动下间断性流向通道两侧,保持中间加热区为液体,实现气液分相流动,进而强化沸腾换热性能。采用无水乙醇为工质,实验研究直肋和梯形结构铜基表面在热流密度为160~320 kW/m²和工质流量为0.4~2.0 g/s时壁温、换热系数等参数变化规律。结果表明：在饱和沸腾区,梯形分相结构可有效实现气液分离,进而降低壁面温度,大幅提高换热系数;如在25 mm位置处,5段结构换热系数比平行结构换热系数提高了60.4%;在单相加热区,换热面积为主要影响因素,直肋结构换热系数略大,但换热系数比饱和沸腾时小一个数量级。平均换热系数分析得到5段结构微通道比平行结构微通道提高了53.8%,可见分段式结构可实现气液分相流动,有效提高沸腾换热的平均换热系数,增强整体换热能力。     

表面张力对矩形微通道汽液两相流动换热的影响

为探究表面张力对微通道内水溶液流动沸腾的影响,针对0.2 mm×20.0 mm的矩形微通道,底面恒热流(q=200 k W·m-2)加热的工况进行数值模拟.采取VOF多相流模型和用户自定义函数建模,应用几何重构的方法追踪汽液两相界面迁移的变化.通过计算得到表面张力σ分别为0.035,0.045,0.059 N·m-1(纯水)时,微通道内水溶液流动沸腾过程中汽泡沿流动方向的成长、聚并等演变行为和相应的汽液两相流的流型发展状况(泡状流、弹状流和拉伸汽泡流).结果表明:与σ=0.059 N·m-1相比,σ=0.035 N·m-1时,单个汽泡尺寸减小约1/2,流型转变滞后,且通道进出口压降Δp波动幅度减小约2.1 k Pa,加热壁面温度超过400 K的区域减少3/4,最高过热温度从1 600 K降到1 000 K;不同的表面张力,微通道内流动方向上的汽泡演变过程有所差别,但均会依次出现泡状流、弹状流和拉伸汽泡流的流型变化规律;减小表面张力,有助于提高汽液两相流的流动稳定性,进而保证微通道内相变换热的可靠性.     

基于热阻网络模型的铜基微通道热沉设计优化

研究表明微通道的截面形状、尺寸以及数量显著影响流体在通道中的传热性能。基于热阻网络模型和计算流体力学(CFD,computational fluid dynamics)模拟,对适用于流动沸腾散热的铜基微通道设计进行了热性能分析。根据实验和模拟计算结果,在确保微通道内热边界层发展区满足恒定壁温条件下,8个平行的尺寸为200μm高,800μm宽,10 mm长的铜基微通道阵列即可满足一般的流动沸腾应用所需要的对流散热量(如6 kW/m~2)。该微通道热沉设计可以在30 min内达到稳定,也可以在相对较短的时间内将目标系统维持在稳定的合理工作温度。此外,实验结果表明在微通道入口处的流体冲击流动可以提高微通道壁面与工作流体之间的对流换热系数,并且在很大程度上降低了壁温。     

微通道中临界热流密度的实验研究

对当量直径0.5 mm,有效加热长度45.0 mm的微通道进行了临界热流密度的实验研究.表明临界热流密度随工质质量流速和进口过冷度的增加而增加.基于实验数据给出了临界热流密度与Weber数、进口过冷度的关联式.实验还发现微通道中的临界热流密度现象不同于常规通道.微通道中临界热流密度的产生是由于微通道的蒸汽阻塞.在达到临界热流密度之前,微通道的流动和传热主要是周期性的过冷流动沸腾,从微通道逸出的汽泡和进入微通道的液体反复交替冲刷微通道.一旦达到临界热流密度,微通道中的流动和传热主要是一个蒸汽周期性逸出的过程.一直持续到过热蒸汽的出现,直到最后整个微通道被过热蒸汽阻塞.     

液氮在狭缝通道内受迫流动沸腾换热的实验研究

对液氮在0．5－1．5mm狭缝通道内受迫流动沸腾换热的情况进行了研究,实验结果表明：液氮在弦月形猴缝通道中的受迫流动沸腾换热系数是传统大直径光管池沸腾的3－5倍,与热虹吸狭缝通道内沸腾传热相比,当热流密度高于10kW/m2时,受迫流动沸腾在换热温差和换热系数两方面有明显优势,液氮受迫流动沸腾换热系数随质量流速的增加而增加,随热流密度增加的趋势更为显著,狭缝间隙尺寸减少,换热效果增强,弦月形通道与环缝通道相比,在相同的条件下,弦月形通道显示更好的换热效果。     

R32制冷剂在小管径水平管内的沸腾换热与阻力特性实验研究

针对污染小、能效高、可燃性差、低毒性的新型R32可替代制冷剂在水平管内低温工况下的沸腾换热特性开展研究，设计并自主搭建了管内对流沸腾相变换热实验系统，分别开展了3 mm、4 mm小管径水平管内低温R32沸腾换热的实验研究，探究了质量流速、热流密度、饱和温度等参数对R32对流沸腾换热特性的影响，分析了蒸干对沸腾换热系数恶化的影响机制。结果表明：3 mm内径管的沸腾换热相比4 mm通道平均提升约8%～12%,且高质量流速下的临界干度几乎与管径无关；相较传热特性，R32饱和温度对两相流动阻力更为敏感，饱和温度自13℃降低至11℃时阻力损失提高约23%;利用改进的Fang关联式，可实现小管径水平管内R32对流沸腾换热系数预测，88.56%的实验数据误差可控制在±10%范围内。     

液氮在狭缝中热虹吸两相流传热的强化实验研究

狭缝中液体的沸腾换热是以变形的扁平汽泡为特点的，以微液膜蒸发为主导机理，热量通过扁平汽泡底部的液膜传给主流流体，试验结果表明：狭缝间隙尺寸对传热有直接影响，当间隙尺寸为０．５～１．０ｍｍ时，狭缝沸腾换热系数比光管增加３～５倍，达到人工烧结多孔表面管相当的水平；当狭缝通道中流型大部分转变为环状流时，传热效果达到最佳状态；对１／１０长度的狭缝通道起始段采用人工凹孔表面处理，使这种流型转变在较小热流密度下提前发生，换热系数进一步提高，传热温差进一步下降，随间隙减小，这种趋势尤为明显．     

竖直矩形细通道内的水沸腾换热特性

以宽度为1.0 mm和0.1 mm的竖直矩形细通道内的沸腾换热特性为研究对象,运用数值模拟的方法探索气泡生成、长大和脱离的过程,通过几何重构和界面追踪的方法获取相界面移动和变化对系统内压差以及平均表面换热系数的影响。计算中考虑重力、表面张力和壁面黏性的作用。研究结果表明:通道宽度的不同对气泡生长方式和气泡形态产生很大影响,且核态沸腾换热系数随着细通道宽度的减小而增大;表面张力在细通道沸腾换热过程中所起的作用明显增大,证明细通道有强化换热的作用;由于数值计算中进行了理想化假设,导致数值模拟的沸腾传热系数比现有细通道沸腾传热实验传热系数普遍偏高。     

微通道热沉内液氮的流动沸腾换热实验

通过实验研究了质量流量在62.6~598.6kg/(m2·s)下不锈钢材质的平行微通道热沉内液氮流动沸腾的传热特性,并将实验所测得局部换热系数与经验关联式计算所得结果进行比较.结果表明:在核态沸腾阶段,随着干度增大,热沉的局部换热系数增加并逐渐达到一个峰值;当干度继续增大时换热系数逐渐减小;热沉的局部换热特性受其流型和低温流体工质特殊性的影响,在干度较低的条件下,其实验结果与模型预测结果的变化趋势一致,但预测值大于实验值.     

竖直狭缝通道内水沸腾换热的气泡动力学研究

为加深对狭缝通道内水沸腾换热机理的探索,对宽度为2 mm、长度为300 mm的竖直狭缝通道内水沸腾气泡动力学展开研究,通过数值模拟的方法探索气泡生成、长大和脱离的过程,分析了壁面过热度、泡底微层的运动对沸腾换热的影响,并与实验数据进行了对比.数值计算中考虑了重力、表面张力和壁面黏附作用.研究结果表明:表面张力在细通道沸腾换热过程中所起的作用要远远大于重力;壁面过热度越高,气泡脱离直径越大;随着加热时间的增加,气泡直径d不断增大,当d≥1.5mm时,就会受到来流的影响而发生形变;泡底微层的存在加速了壁面对流,对换热系数的提高有一定作用;数值模拟结果与实验数据吻合良好.     

基于杨氏理论的微型换热器传热壁面表面特性分析

微型换热器换热通道壁面的表面特性对流体流动沸腾特性有显著的影响.固体表面能常被用来表征微型换热器换热通道壁面的表面特性,可为微细通道中流体流动沸腾特性的研究提供理论依据;文中测量去离子水、乙二醇、甲酰胺在换热通道内侧左右壁面及底表面所形成的接触角,基于杨氏理论计算微型换热器换热壁面的表面能,并通过液滴的Wenzel模型分析微槽道内、外表面接触角差异形成的机理.研究结果表明:微型换热器换热通道内侧左、右壁面的表面能分别为5.2、5.6 MJ/m2,底表面的表面能为8.2 MJ/m2,微细通道内表面特性差异是由表面粗糙度不同造成的.     

电场对沸腾汽泡影响的实验研究

为进一步探索电场强化沸腾换热的机理,利用高速摄像仪对沸腾汽泡在电场作用下的生长过程进行了可视化实验研究.实验观察到电场作用下汽泡生长的动态图像.研究结果表明,电场作用下汽泡沿场强方向伸长,随着场强的升高,汽泡的脱离长径比增大,汽泡脱离壁面时的椭球外形更加明显;随着场强的增大,汽泡的脱离体积减小.分析了汽泡行为的变化对电场强化沸腾换热的影响.     

微通道流动沸腾过程中异态相干沸腾的强化传热研究

随着电子器件的集成化和小型化,其散热量超过10 MW/m²将成为现实,这超出了目前大功率系统中使用的单相冷却方案的上限,所以必须再次开发新的冷却方案.克服单相传热局限性的一种方法是转变为两相沸腾传热,而临界热流密度又是所有沸腾传热的上限值.因此,为了提高微通道内流动沸腾传热的临界热流密度,本文设计开发了非均匀导热性传热板.通过将两种不同导热性能的材料(铜和聚四氟乙烯)交替布置在靠近传热表面的传热板内,实现了传热表面的非均匀温度分布和异态相干沸腾模式(核态沸腾与膜态沸腾共存且相互干涉的状态).同时搭建了微通道流动沸腾实验系统,其微通道截面尺寸为1.84 mm×70.00 mm,通道长度为280.0 mm,传热板表面尺寸为10.0 mm×10.0 mm,流体工质为去离子水.在不同入口流速v=0.1 m/s、0.2 m/s、0.4 m/s和不同过冷度DT_sub=10.0 K、20.0 K、30.0 K条件下,研究了非均匀导热性传热板在微通道流动沸腾中的传热强化效果.结果表明,相对于单纯的核态沸腾状态,异态相干沸腾状态能够有效地提升流动沸腾传热的临界...     

均匀电场对池沸腾换热的影响分析

对均匀高压电场作用下平板池沸腾换热的强化效果进行了试验研究,发现在较低过热度的范围内电场对换热有明显的强化效果.场强越高,相同过热度对应的换热系数越高.在相同的场强下,强化系数随着热流密度的增加而减少.结合试验结果对电场强化沸腾换热的机制进行了分析.在热流密度较小的范围内,对流换热占主导地位,电场强化对流换热使壁面过热度大大下降,导致相应过热度下汽泡的平衡半径提高,因此,抑制了核态沸腾.随着热流密度的提高,汽泡的产生和运动成为影响换热的主要因素,此时过热度的变化不是很大,在相同的过热度下,电场可以减小汽泡的临界半径,使汽泡增多.在汽泡准备区,电场会影响汽泡的核化;在汽泡成长区,电场会影响汽泡的长大、变形和脱离;在非沸腾区,电场会影响单相流体的自然对流换热.     

R134a在锯齿型翅片中的沸腾换热实验研究

为设计板翅式蒸发器,采用实验方法研究不同质量流速下R134a在锯齿型翅片中的沸腾换热系数。对比Bertsch关联式计算值与实验值得到其沸腾换热系数修正式,并通过相同型面板翅式蒸发器实验对该修正式进行验证。实验结果表明:在不同入口条件下,沿流动方向,锯齿型翅片表面温度变化趋势一致,由起初较平稳状态到距入口290 mm处显著增大;在相同质量流速下,R134a在锯齿型翅片中的对流换热系数远大于平直通道;Bertsch关联式沸腾换热系数修正式计算的制冷量与实验值误差约为10%。     

重力条件对沸腾汽泡特性的影响

根据汽泡动力学原理,建立了壁面上沸腾汽泡的数学模型.分别计算了在不同重力条件和不同壁面流动条件下的汽泡特性参数,包括汽泡的脱离直径和鼓泡频率.比较了重力和强迫对流对汽泡特性的影响.提出了一种比较微重力条件和地面条件下核态沸腾的类比关系式,这一关系式对于将地面沸腾实验结果类比到空间微重力条件下具有一定的指导意义.     

微通道内纳米流体换热与压降特性

为研究微通道换热和压降特性的影响因素,在当量直径分别为0.923 1,1.333 3和2.000 0 mm的矩形微通道内,以0.1%和0.5%(体积分数)的Al2O3-H2O纳米流体为实验工质,进行无相变以及沸腾传热与流阻特性实验研究,分析雷诺数对努塞尔数和单相流动压降的影响。研究结果表明:增加纳米粒子体积分数对摩擦压降影响较小,而努塞尔数则得到较大提高;在2.0 mm宽槽道内,纳米流体的换热系数比水的换热系数高18%;而0.6 mm宽槽道的换热系数比2.0 mm宽槽道的换热系数提高了近2倍;随着槽道尺寸的减少,摩擦压降显著增大;当雷诺数为800时,0.6 mm和1.0 mm宽槽道摩擦压降分别是2.0 mm宽槽道摩擦压降的23.3倍和4.4倍;热流密度和质量流量增大都将导致摩擦压降增大。     

微尺度核态沸腾换热的汽泡交互作用实验研究

核态沸腾换热是一种高效的换热形式,沸腾机理的研究对强化传热的研究很重要。实验采用微尺度96加热片阵列,通过独立的控制电路,加热独立的各个加热片,使其维持在恒定温度120℃上。利用高速摄像技术分别从汽泡的底部和侧面对汽泡生长及运动现象进行可视化观测,并用高速数据采集系统同步记录汽泡一个生长期间不同阶段的热流密度。实验首先单独加热每个独立的区域,产生单个汽泡,并分析汽泡脱离频率、脱离直径和热流密度;然后通过加热两个相隔一定位置的加热片区域,使得汽泡长到一定大小后能够碰撞、合并为一个新汽泡并最终脱离。这种汽泡交互作用伴随着汽泡的变形、滑移,显著增加了沸腾换热的热流密度和汽泡脱离频率。通过分析每个加热片的热流密度,得出瞬态导热是沸腾换热的主要机理。