对流换热层流流场的物理量协同与传热强化分析

在传热强化场协同原理的基础上, 从流体与壁面之间层流对流换热的物理机理出发, 提出了对流换热层流流场质点物理量的协同原理, 揭示了质点物理量的协同规律以及与传热强化之间的关系, 得出了反映质点物理量协同程度的数学式, 描述了协同角a,b , y, φ, q  和y 之间的关联性, 解释了换热强化和流体减阻的物理本质, 并通过数值计算验证了具有一般性的质点物理量协同原理, 对传热单元及换热器的设计和优化具有一定的指导意义.     

多场协同原理在管内对流强化传热性能评价中的应用

针对管内层流和湍流换热,分析了流体质点矢量物理量的协同性,揭示了对流换热多场协同规律与强化传热机理之间的关系,提出了评价强化传热综合性能的效能评价系数EEC,同时,基于协同角α,β,θ,γ,η,初建了判断层流和湍流强化传热性能的统一评价体系以及相应的评价指标.此外,针对内插三角杆强化传热管建立了数学模型,通过数值模拟对所建立的评价体系及其指标进行了验证.计算结果表明,基于多场协同原理的协同角与强化传热效果的评价准则之间相互对应,在Re数为300~1800的范围内,性能评价系数EEC值在1.3~2.3之间,而效能评价系数EEC值则在0.33~0.45之间.     

换热器强化的场协同原则

提高换热器的传热性能可以有两个层次, 第1个层次是增加对流换热系数, 第2个层次是改善换热器整体安排. 围绕第2个层次讨论, 提出了改善换热器中冷热流体温度场间的协同就能提高换热器的效能. 换热器中冷热流体温度场的函数形式越接近, 冷热流体的温差场越均匀时, 称冷热流体温度场的协同越好. 通过重新分布换热面积可提高叉流换热器的效能, 当换热面积具有最佳分布时, 叉流换热器的效能可与逆流换热器的效能相等. 多股流换热器中, 顺流换热方式的换热量可以高于逆流换热方式, 表明换热器的传热性能的高低取决于它们的温差场均匀性即冷热流体温度场协同程度, 而不是取决于流动方式.     

传递过程强化的新途径--场协同

强化传递过程是节约能源、提高生产效率的有效途径 ,物理场是表述物理量的重要方法 ,介绍了强化传递过程的新途径———场协同理论 ,论证了场协同理论的热力学基础 ,采用寂态热动力学和非平衡态热动力学的观点 ,导出了场协同理论的唯象学方程 ,讨论了场协同理论的发展趋势和研究方法     

微孔膜管显著强化R123冷凝传热

新能源和低品位能源利用需要高效相变换热器,将微孔膜插入管内(以下简称调控管)可提高近壁区质量含气率,从而显著强化传热.本文进行了R123在水平管内的冷凝传热研究,比较了光管与调控管的冷凝传热特性.研究表明,微孔膜管可显著强化冷凝传热.在实验参数范围内,强化传热因子EF达到1.118~2.124,综合评价因子PEC在0.71~1.66的范围内,大部分实验工况的综合评价因子大于1.当实验段出口为气液混合物时,强化传热因子EF随入口蒸气质量流速Gxin的增大而增大.当实验段出口为过冷液体时,强化传热规律与之相反.通过可视化图像及管内压力和速度分布的讨论,本文分析了微孔膜管冷凝传热强化机理.     

对流换热的物理机制及其控制:速度场与热流场的协同

从能量方程出发重新审视了对流换热的物理机制,把对流换热比拟有内热源的导热。热源强度不仅取决于流体的速度和流体的物性,而且取决于流速与热流矢量的协同。流动的存在可以强化换民可以并无实质贡献,甚至能减弱换热。这不仅可以对现有对流换热现象有更深入的理解,而且可发展一系列对流换热控制的新方法,举出了传统热强化和保温等应用方面的实例。     

激波与湍流相互作用的实验研究

在超声速湍流混合层风洞中, 以NPLS技术为基础研究了激波与湍流的相互作用, 观察到了斜激波与湍流边界层的相互作用以及湍流混合层中的大涡对斜激波的影响. 所得到的NPLS实验图像不仅再现了复杂的流场结构, 而且不同图像之间还具有时间相关性. 在NPLS图像基础上探讨了激波与湍流相互作用的规律.     

高传热和传质性能复合吸附剂的研发

为解决吸附剂强化传热和强化传质之间的矛盾, 以氯化钙和木屑为原料, 采用炭化活化造孔的方法强化传质, 通过加入膨胀石墨强化传热, 考察了炭化活化温度和膨胀石墨加入比例对复合吸附剂性能的影响. 宏观的吸氨性能测试以及微观的参数表征表明炭化活化法制备的吸附剂孔隙发达, 氯化钙含量高而且分布均匀, 强化了吸附氨气过程中的传质速率; 炭化活化温度对样品的氯化钙含量和结晶度, 吸附量以及吸附速率都有重要的影响. 膨胀石墨的加入强化了吸附剂的传热, 提高了吸附速率. 实验结果表明, 500℃温度下制备的吸附剂, 在膨胀石墨含量为30%时, 其在0.5 h内的吸附速率较快, 在吸附时间分别为10, 20和30 min时, 其吸附量达到0.37, 0.47和0.53 g/g, 而且解决了氯化钙吸氨过程中的膨胀结块问题.     

池沸腾强化传热中的三维瞬态热传导反问题

回顾了近年来在池沸腾实验过程中衍生出的三维瞬态热传导反问题和相关计算方法的研究,提出了基于制定优化问题的Tikhonov正则化法和迭代正则化法来求解相关的反问题.在对前者的研究中,一种基于模型函数策略的改进Tikhonov正则化法被开发和用于快速估算最优正则化参数,从而加速整个反问题求解过程.对于后者,针对工程上可获得的高分辨率测量数据与有限微热电偶测量数据两种情况,开发了基于共轭梯度法的迭代正则化策略对相关反问题进行求解.近期,针对使用薄加热箔表面这一特殊池沸腾实验提出了一种新的两步直接法.该方法不需要求解大量由偏微分方程约束的优化问题,而是通过近似重构偏微分方程模型的Dirichlet边界条件,将不适定的反问题转化为一个适定的,易于求解的正问题.这种方法在计算效率方面具有优势.此外,在数值计算方面,由于实际实验的非均匀测量配置以及待估算的表面沸腾热流密度在空间和时间尺度上具有发生快速变化的特性,提出了一种新的随时间变化的有限元网格自适应细化策略来进一步加快反问题求解过程.该策略的准确性与效率通过几个典型工程案例得到了验证.基于此,在一个实际单泡核沸腾实验中重建了环状沸腾热流密度模式,与微层理论结论一致.在另一个全阶段的沸腾实验中,使用自研提出的计算方法所估算的表面局部沸腾热流密度峰值是大多数传统研究所获得的宏观平均热流密度的数十倍,乃至近百倍,所获结果揭示了池沸腾强化传热微观上的局部动态.这些针对池沸腾中三维瞬态热传导反问题的研究工作为进一步阐明池沸腾强化传热机理,探索微纳结构等一系列高效传热器件表面沸腾传热的极限,建立精确预测沸腾全过程的数值计算模型和进行基于模型的最优实验设计提供了一些理论指导建议.     

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.     

热质传递过程的场协同原理

热量和质量同时传递的过程在自然界和工程实践中广泛存在, 如何提高热质传递效率有重要的实际意义. 本文从同时进行热质传递的能量方程出发, 推导了对流传热传质的场协同方程. 结果表明, 有质量传递的总传热量(包括通过换热面的导热量和换热面质量扩散传递的热量)取决于流体流速和流体焓值梯度的大小以及流速与焓值梯度场协同角α的大小. 减小协同角α, 就可以增强热质交换, 也就是说, 速度场和焓值梯度场的协同性越高, 总换热量越大. 并由热质传递的场协同方程发展了一些可以提高热质传递效率、解决工程实际问题的方法.     

池沸腾强化传热中的三维瞬态热传导反问题

回顾了近年来在池沸腾实验过程中衍生出的三维瞬态热传导反问题和相关计算方法的研究,提出了基于制定优化问题的Tikhonov正则化法和迭代正则化法来求解相关的反问题.在对前者的研究中,一种基于模型函数策略的改进Tikhonov正则化法被开发和用于快速估算最优正则化参数,从而加速整个反问题求解过程.对于后者,针对工程上可获得的高分辨率测量数据与有限微热电偶测量数据两种情况,开发了基于共轭梯度法的迭代正则化策略对相关反问题进行求解.近期,针对使用薄加热箔表面这一特殊池沸腾实验提出了一种新的两步直接法.该方法不需要求解大量由偏微分方程约束的优化问题,而是通过近似重构偏微分方程模型的Dirichlet边界条件,将不适定的反问题转化为一个适定的,易于求解的正问题.这种方法在计算效率方面具有优势.此外,在数值计算方面,由于实际实验的非均匀测量配置以及待估算的表面沸腾热流密度在空间和时间尺度上具有发生快速变化的特性,提出了一种新的随时间变化的有限元网格自适应细化策略来进一步加快反问题求解过程.该策略的准确性与效率通过几个典型工程案例得到了验证.基于此,在一个实际单泡核沸腾实验中重建了环状沸腾热流密度模式...     

热管冷板启动性能和均温性能的试验研究

一、引言 随着电子器件的高频高速化以及集成电路的小型化和集成度的不断提高,单位体积电子器件的耗散发热量迅速增大,使得为保证其安全性和工作可靠性的热控制技术不光要具有优良的传热能力而且还必须能适应越来越苛刻的工作环境.近年来,对新型冷却剂特性、接触热阻的理论研究和新型冷却方式的基础性研究[1,2],促进了一批新颖、有效的热控制技术在电子设备散热冷却中的应用,主要包括浸渍冷却、冷板冷却、相变冷却、温差致冷和热管冷却等[3-5].     

平板太阳能集热器传热性能的(火积)理论优化

平板太阳能集热器是太阳能热利用系统中常见的核心部件, 其传热性能的优化对于提高能源利用效率具有重要意义. 现有平板集热器大多采用厚度均匀的金属吸热板来吸收太阳辐射, 将相似文献   

时间延迟型生物传热方程及其振荡特性的初步分析

生物传热学是一门新兴的不断发展着的科学,它正在根据一些新的发现和认识使其基本命题和定理不断趋于完善,并由此而提出新的概念,本文基于对活体组织温度振荡效应的最新认识,提出三个新观念下的时间延迟生物传热方程,它有可能刺激相应数学分析工作的开展,并将积极推进对蕴藏于生物组织中的各类热现象本质规律的认识。     

基于电池热管理系统的微通道热管阵列的传热性能

温度是影响动力电池性能的关键因素.高效热管理技术可有效控制动力电池温度和温差.本研究采用微通道热管阵列作为电池热管理系统的热传导元件,分析了其在高热功率密度下的传热性能,理论计算了其等效导热系数,优化分析了其槽道尺寸对流动传热的影响,对比了其与主流散热技术的性能差异.研究发现,热功率密度为0.3658 W cm^-2时,强制风冷散热条件下,采用微通道热管阵列技术可维持热源处表面温度45℃以下,温差1.3℃以下,低于无微通道热管阵列导热情况下的温升15℃,温差3.8℃.随着热功率密度增大至0.9176 W cm^-2,微通道热管阵列的等效导热系数增大为6027 W m^-1K^-1,其热源处表面最大瞬态温差约2.75℃.增大槽道尺寸参数可进一步改善微通道热管阵列的导热系数,改善其传热性能,但对液体回流驱动力有一定影响.该阵列具有较好的动态工况热稳定性和低温快速加热能力.与烧结热管组的温度性能相比,微通道热管阵列组最大温度可降低15.1℃,表面温差降低14℃,具有显著降温和均温优势,表明微通道热管阵列在动力电池...     

基于传热传质分析的热局域化太阳能蒸汽发生系统优化研究进展

太阳能蒸汽发生系统能够利用太阳能局域加热水体产生蒸汽,在海水淡化和污水处理等领域具有较大的应用潜力.太阳能蒸汽发生系统主要包括光吸收系统和热局域化系统两大部分.由于能够实现低聚光下的高效太阳能光热蒸汽转化,且具有结构简单、成本低、蒸发效率高、易于推广应用等特点,太阳能蒸汽发生系统受到了广泛关注.近几年,越来越多的热局域...     

回转窑热解废塑料过程中固体颗粒的运动与传热模拟

废塑料在回转窑反应器中经热解工艺可以转化成热解气、热解油和热解炭.回转窑中热载体的加载量对颗粒的运动和传热有着非常重要的影响,进而可以影响热解气、热解油和热解炭的三相产物分布.本研究采用石英砂作为热解废塑料的热载体,热载体的加载量从5%增加到15%.随着热载体的增加,热解油和热解炭产量增加,而热解气的产量减少.通过离散元方法对颗粒运动和换热过程分析发现,加载更多的热载体提高了回转窑内颗粒的平动速度和转动速度,增强了颗粒间的相互碰撞,从而加快了石英砂热载体向废塑料颗粒的传热效率.热载体的增加有助于挥发分的释放,并缩短了挥发分的停留时间,这导致了产油量的增加和产气量的减少.另外,增加热载体使用量可以使床层保持更高的温度,强化挥发分在床层内的碳化反应,增加焦炭产量.     

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.