不同球窝/球凸结构的旋转矩形通道传热及阻力特性研究

采用数值模拟方法研究了旋转工况下球窝/球凸结构对通道传热特性和阻力特性的影响,利用SSTk-ω湍流模型求解了黏性Navier-Stokes方程,其中矩形通道的一侧布置球凸,另一侧布置球窝,球窝/球凸的结构分为圆形、竖椭圆和横椭圆.研究结果表明:球凸的迎风前缘传热能力大大增强,背风后缘及其之后的尾迹区域出现流动分离且传热性能有所减弱;球窝的前缘出现了流动分离且传热性能明显减弱,后半球窝处的分离流体再附使传热能力增强.通道旋转对传热阻力特性的影响很大,主要是旋转使得球窝/球凸表面的流动分离再附提前发生或延迟出现,后缘面流动分离再附频繁出现.比较3种通道发现:竖椭圆球窝/球凸通道和圆形球窝/球凸通道的平均Nu和摩擦系数几乎相等,横椭圆球窝/球凸通道的平均Nu和摩擦系数明显大于圆形、竖椭圆通道.     

球窝/球凸结构下的U型通道蒸汽冷却性能

采用标准k-ω湍流模型研究了球窝/球凸结构下U型通道内蒸汽的传热与阻力特性,计算、分析了雷诺数为1×104~5×104、来流温比为0.79~0.93、出口压力为0.5~3MPa时通道内的流动与传热性能,获得了拟合的传热关联式,对比了蒸汽与空气冷却特性的差异。研究结果表明:雷诺数增加在提升总体传热效果的同时能够有效降低流动阻力系数;来流温比增大对强化传热的作用并不明显,但可以有效降低流动阻力损失;提高出口压力可以有效增强传热效果,但大大增加了流动阻力;出口压力为1.5~2MPa、来流温比为0.84~0.88时蒸汽冷却参数能够获得较为理想的综合换热效果;与空气相比,蒸汽的热物性更容易受到温度和压力的影响,导致传热增强系数的变化较大,此时雷诺数的变化对传热增强系数的贡献并不显著;拟合的传热关联式可以准确预测通道内蒸汽冷却换热系数。     

布置球窝的U型冷却通道传热性能研究

采用数值模拟方法研究了球窝结构对U型通道传热和阻力特性的影响,U型通道的一侧布置了球窝结构;采用SST k-ω和大涡模拟(LES)湍流模型,对不同Re下的球窝强化传热性能进行了分析.结果表明:U型通道中第2列通道传热系数明显大于第1列通道,180°转弯角附近存在明显的二次流现象且传热系数较高;球窝结构的引入能明显强化U型通道的传热性能,球窝表面的平均Nu沿着流动方向逐渐减小,经过180°转弯角后急剧增大,球窝结构强化传热带来的压力损失非常小,几乎与光滑通道相当;RANS方法计算出的球窝表面Nu要大于LES方法的时均结果,相比LES方法,RANS方法判断的球窝腔内再附点更加靠近上游.     

楔形通道中束腰结构扰流柱对强化传热特性的影响

采用数值模拟方法对装有束腰结构扰流柱的楔形通道的换热和流动阻力特性进行了研究,并与传统圆柱通道进行了比较。本文重点研究了扰流柱的束腰程度的影响。结果表明:(1)随着雷诺数的增大,换热效果增强,阻力损失系数变小。在较大雷诺数时,与圆柱通道相比,束腰结构扰流柱通道的换热效果稍低;(2)随着束腰参数的增大,换热效果提高,然后趋于平缓。     

三角形并联微通道换热特性研究

基于Navier-Stokes方程的传统理论,把整个实验硅晶片上的所有并联微通道纳入计算区域,通过FLUENT商业软件对其进行数值模拟.计算得到的温度场和实验结果的红外成像数据对比,吻合得很好,从而验证了数值计算的正确性.对并联通道中的不同通道计算结果表明,不同微通道中流量几乎没有差异,但是不能完全忽略热流密度的差异.此外,通过三角形微通道在壁面上的热流密度分布很不均匀,与矩形通道截然相反;轴向导热对热流密度的分布有很大影响.在进出口温差较大时,用进出口平均温度作定性温度计算的结果与变物性计算的结果相比,误差很小.     

恒壁温下梯形硅微通道热沉流动换热特性

建立了恒壁温条件下微通道中层流流动换热的三维模型,对水力直径分别为108,160和200μm的梯形硅微通道内单相流动换热特性进行了数值模拟研究.研究结果表明:在恒壁温条件下,通道入口段Nu数最大,并沿流程逐渐减小,直至达到充分发展时,Nu数趋于定值;与大管道经典理论不同,充分发展段Nu数随Re数的增加而增加;通道尺度的减小能有效强化换热;恒壁温条件下的平均Nu数总是低于恒热流条件下平均Nu数.同时,对流动阻力损失的研究发现,Poiseuille数与经典值基本吻合.     

聚合物/中空微球复合材料传热的理论模型

分析了中空微球填充聚合物复合材料的传热机理，指出其热传递主要以固体和气体的热传导、中空微球表面之间的热幅射和中空微球内气体的自然对流三种方式进行。基于最小热阻力法则和比等效导热系数相等法则，建立了热量传递的理论模型，并推导出了等效导热系数的计算式。应用该式估算了中空微球填充聚丙烯复合材料的等效导热系数（keff），并将其与数值模拟结果进行比较，发现当中空微球含量不高（φf≤20％（体积分数））时，等效导热系数的理论估算值和数值模拟值的变化趋势相似。随着中空微球含量增加，等效导热系数线性递减，当中空微球含量一定时，等效导热系数随着中空微球粒径的增加而有所下降。     

微柱体对微通道热沉综合性能影响的数值分析

为强化微通道热沉的传热性能,设计一种内置微柱体的微通道热沉,并采用数值方法研究微柱体对微通道热沉内流体流动、传热及综合性能的影响。分析了进口雷诺数、微柱体的错位量对内置微柱体微通道热沉(微柱通道)的压降、热阻和努塞尔数的影响,并与光滑微通道热沉(光滑通道)进行对比。采用热阻与泵功的关系、熵产原则及性能评价准则对微通道热沉的综合性能进行评价。结果表明,微柱通道压降和努塞尔数随雷诺数增大而增大,热阻反而减小;在研究的雷诺数范围内,微柱通道压降比光滑通道的平均高84.3%,热阻平均低27.8%,而努塞尔数平均高54.5%;有错位量的微柱通道热阻比无错位量的平均低8.9%,而努塞尔数平均高12.6%;微柱通道综合性能优于光滑通道,且有错位量的微柱通道更优。     

V形槽微通道阵列铝热管传热特性

为强化微通道阵列铝热管的传热性能,将V形槽应用于微通道阵列铝热管,利用R1336mzz(Z)、HFC4310mee和丙酮工质在不同倾角下对热管进行了传热特性研究。结果表明:V形槽微通道阵列铝热管的最佳充液比为23.2%,在45°~90°倾角范围内,热管在相同加热功率下具有较低的蒸发端温度且受倾角的影响很小,而在0~45°倾角下传热性能受角度的影响较大;在θ=90°和0°这两个特殊的角度下,不同的工质使热管呈现出不同的传热特性。当θ=90°时,填充丙酮的阵列铝热管热性能较好,最高等效导热系数可达到35.67 kW?m-1?K-1。而当θ=0°时,三种工质阵列铝热管的热性能尽管都有所下降,但仍保持较好的传热性能,其中丙酮阵列铝热管加热功率在0~160 W之间时,其等效传热系数均能达到垂直时的72.5%以上,最高等效导热系数也能达到22.28 kW?m-1?K-1,这归功于V形槽道能够提供较强的毛细驱动力,可缓解热管因重力作用弱化而带来的不利影响。     

分-合式微通道流动传热性能数值模拟

针对矩形微通道进出口压降大、温度分布不均匀,以及分形微通道受到分形维数和分支数限制适用范围较窄的问题,结合矩形微通道和分形微通道的优势设计一种分-合式微通道散热器。使用Fluent软件对散热过程进行数值模拟,研究微通道内分支倾斜角度变化对流动和传热性能的影响。结果表明,在100 W/cm²的热流密度下,Re为970、分支倾斜角度为90°时,分-合式微通道平均温度降低了11.9 K,最高温度降低了14.2 K,Nu增加了85.7%,整体传热性能(PEC)也最佳,达到1.44。分支的引入可以增加微通道内部换热面积,同时形成新的边界层,在分支内侧产生漩涡,有效提高了微通道散热器的传热性能,为微通道的优化设计提供了新的理论依据。     

不同深度凹陷内湍流流动与传热性能的数值研究

采用标准k-ω湍流模型对具有不同深度的凹陷涡发生器表面湍流传热性能进行了数值计算,获得了雷诺数(Re)在8 500~60 000内不同深度的凹陷表面湍流传热、流阻和流动特征,并拟合了传热和摩擦因子关系式.凹陷表面平均传热性能和摩擦因子随着深度的增加而增大,并且Re越高传热性能和摩擦因子越高.在低Re值(Re=8 500)时深度比(σ,凹陷表面深度与截面直径之比)为0.1和0.3的凹陷传热相差不大,平均性能较光滑平板增强约40%左右;而在高Re值(Re=50 500)时后者比前者传热提高约11%,平均换热性能较光滑平板分别增强42.1%和51.6%,摩擦因子提高30%~120%.相对于光滑通道,凹陷表面综合热性能提高10%~35%,综合热性能随凹陷深度的增加而逐渐减小.详细的凹陷表面传热分布还表明,深度比为0.1和0.2的浅凹陷涡发生器局部传热分布对称,而深度比为0.26和0.3的深凹陷局部传热分布是非对称的,这主要是由于浅凹陷与深凹陷内部具有不同的涡流结构.     

物性参数对纳米流体强化换热的影响

对铜-氩纳米流体在矩形槽通道内流动和换热情况进行了数值模拟,对基础流体和不同体积分数的纳米流体在不同Re下的换热情况进行研究,分析了纳米流体热物性的改变对强化换热的影响.研究表明:相对于基础流体而言纳米流体由于具有较好的导热性能而强化换热,并且纳米流体体积分数越大,其导热性能越好,从而换热能力也越大.对于相同体积分数的纳米流体,其换热系数提高的程度与流体的速度有关系,流速越小,换热系数提高得越大,而随着流速的逐渐增大换热系数提高的程度逐渐下降.     

金属丝网波纹填料强化换热器壳侧传热研究

对一种利用金属丝网波纹填料强化管壳式换热器壳侧传热的方案进行了仿真研究。利用FLUENT软件通过求解多孔介质能量方程研究了金属丝网波纹填料对壳侧传热的强化效果,分析了不同空隙率的波纹填料以及不同入口速度对换热器壳侧传热性能的影响。结果表明：利用金属丝网波纹填料能够明显强化换热器壳侧传热,填料的空隙率越小、流体进入换热器壳侧的速度越小,传热效果越好。由于金属丝网波纹填料具有阻力小、压降低的优点,该强化换热器壳侧传热方案对于低入口速度工况下的换热具有独特优势。     

百叶窗式翅片换热器中的耦合传热

对汽车上常用的百叶窗式换热器的传热过程进行了分析,建立了翅片内导热与翅片间耦合对流换热的物理数学模型,并采用数值分析方法对该耦合传热问题进行了数值模拟计算.计算结果揭示了百叶窗翅片换热器内部的流场结构和换热状况.与经验公式计算结果相比,数值计算的百叶窗翅片换热器通道阻力和换热系数显示出与实测值更好的一致性.     

变截面微小通道的传热特性

为研究变截面微小通道的流动和传热特性,设计了9种不同微小尺度的变截面通道。采用实验研究的方法,得出了流体在变截面微小通道中的传热特性以及与常规尺度通道的差异,分别比较了通道的进出口宽度比、高宽比对变截面、微小尺度通道传热特性的影响,根据实验结果得到了描述水在变截面微小通道中的流动及传热特性的无量纲关联式。     

扇形内翅片石墨管层流强化传热性能

利用数值模拟方法对一种高黏度的油类介质在6种不同布置交错角度(0°,30°,45°,60°,75°,90°)的扇形内翅片石墨换热管中层流的强化传热和流动规律进行了研究.结果表明,扇形内翅片的强化换热效果明显.与无翅片的石墨换热管相比,6种布置角度的扇形内翅片对流换热系数分别增大22.69%,42.49%,62.28%,63.44%,65.47%,66.47%.就流动性能而言,扇形内翅片的石墨管6种布置角度下的阻力分别增大了191.88%,252.01%,333.10%,364.33%,385.51%,400.43%.为了明确石墨管内添加扇形内翅片后的强化传热效应,采用了换热性能评价指标(PEC)对6种布置角度进行了评价研究,结果显示45°布置角度时PEC评价准则数的平均值达到最大,为1.265,说明布置角度为45°时强化换热效果最理想.     

高压直流电场强化垂直管内沸腾传热试验研究

在分离式热管结构的电水动力学（EHD）强化传热试验台上,采用R11工质、直流高压电场,首次完成了垂直管内沸腾换热的EHD强化试验研究,结果表明：采用EHD技术对垂直管内的沸腾换热有明显的强化效果;低热流密度时,强化效果较好,增大热流密度时,强化效果减弱;当热 流密度维持不变时,强化系数随着电场电压的增大而增大;沸腾换热的最大强化系数为428％。     

空气外掠圆孔翅片管的流动与换热数值模拟

以矩形平翅片作为比较对象,采用数值模拟方法研究了空气外掠三对称大直径圆孔翅片表面的流动与传热性能,获得了不同Re(雷诺)数时矩形平翅片和三对称大直径圆孔翅片表面的速度场、温度场和Nu(努塞尔)数分布.平翅片的模拟结果与实验数据的最大误差小于10%,证明了该模拟方法的正确性.研究结果表明:当气流Re=1 610～6 440时,三对称大直径圆孔翅片的表面传热系数比平翅片提高25%以上.证明该圆孔翅片是一种适用于翅片管式制冷换热器且传热效果优越的片型.     

土壤-空气换热系统传热的数值模拟

采用土壤自然温度场与空气冷却效应的叠加方法,对土壤-空气换热系统的出口温度和传热性能进行了数值模拟,并通过计算探讨了埋管的深度、管长和管径对换热器进出口温度的影响．分析结果表明,换热器的出口温度随着埋管入口温度的周期性变化而呈周期性变化;随着埋管深度和管长的增加,换热器的出口温度降低,同时出口温度的变化幅度减小;随着管径的减小,埋管出口温度降低,出口温度波动减小,换热系统的降温供冷性能提高。