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.     

混合对流的流动与传热特性

混合对流在工程应用中大量存在,有重要研究价值。前人局限于自然对流、混合对流、强迫对流流动区域的划分和整理对流换热准则关系。本文以混合对流流动与传热相似为目标,从控制方程出发,导出了描述混合对流的特征参数,阐述了混合对流特性,介绍了其在模型实验中的应用。     

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.     

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.     

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.     

矩形微槽道平板热管流动与传热特性可视化

以去离子水为实验工质,通过可视化研究方法,探索矩形微槽道平板热管内的流动传热机理.通过对多种工况下平板热管性能的对比,重点探讨了槽道结构和充液率对平板热管内相变现象与传热特性的影响.研究结果表明,不同槽道尺寸下,平板热管的热阻变化规律存在明显差异.低充液率下,随加热量增大, G-400热管热阻呈现先减小后增大的趋势.而在不同的充液率下, G-800热管热阻随加热量增大逐渐减小.在不同槽道尺寸和充液率下,蒸发端相变行为主要包括液膜蒸发和连续气泡生成两种方式.此外,冷凝传热不仅发生在气液界面处,还发生在槽道肋片顶面处,并形成稳定的周期现象.     

基于微丝的PDMS微流动通道制作技术

微流动通道是微流控芯片的重要组成部分, 其加工技术的每一步进化或简化一直为国际学术界与工业界所重视. 提出了一种基于微丝的PDMS微流动通道制作技术. 该技术利用一些简单的模具辅助固定和布置微丝, 然后将PDMS预聚物浇注于模具中浸没微丝并固化, 固化后抽出微丝形成PDMS微通道或通道阵列, 在与通道垂直的方向上打孔并封装, 形成与通道外部物质交换的接口. 实际制作通道时可采用商用化的金属微丝(如不锈钢微丝), 直径从100~20 μm不等. 较为详细地介绍了利用这种技术来构建多种拓扑结构的二维或三维通道或通道阵列, 例如直通道、交叉通道、弯曲通道等的能力. 进一步, 基于金属微丝的电磁特性, 这样的微通道制作工艺还被应用来构建出适于电磁控制和温度控制的微流动通道装置. 最后, 通过圆截面微通道的光路分析、微通道内粒子流动的图像测速(Micro-PIV)与微液滴形成实验及分析进一步印证了这种微流动通道制作技术的可行性和适用性.     

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...     

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...     

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.