圆形微通道的热交换特性及其尺寸效应

基于圆形微通道的能量守恒及热传导方程,在考虑速度滑移和温度跳跃的情况下,利用逆解法得到了一个热充分发展的温度场计算式.根据定热流边界条件,推导了圆形微通道的努塞尔数和温度跳跃的新表达式.通过计算努塞尔数和对流换热系数,分析了圆形微通道的热交换特性及尺寸效应,对纯净水在圆形微通道中的换热性能进行了数值仿真.仿真结果表明:在滑移流范围内,随着管径减小,换热系数增大,流固界面的温度跳跃随着与入口端的距离增加而减小,从而验证了理论推导的正确性.     

波形微通道流动沸腾换热特性的数值模拟

提出一种壁面为正弦波形结构的微通道,应用VOF模型和用户自定义函数,着重对波形微通道内的流动沸腾换热过程进行数值模拟.对比波形微通道和平直微通道内的汽泡变化、流动沸腾换热效果和可靠性的差异,分析波形结构对微通道流动沸腾换热的影响.对比发现:波形结构可以促进汽泡脱离受热壁面,维持核态沸腾,避免局部干涸,保证汽液两相流动的可靠性.研究结果表明:增大波幅和减小波距均可强化波形微通道的沸腾换热;波幅扩大到4倍(从20μm增加到80μm),沸腾换热系数提高26.5%,流动阻力升高24.0%;波距缩小到1/4(由2.0 mm减少到0.5 mm),沸腾换热系数提高16.0%,流动阻力升高40.0%;波幅对沸腾换热系数的影响较大,而波距对流动阻力的影响较大,但过大的波幅和过小的波距会引起局部干涸,造成传热恶化,不利于可靠传热.     

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.     

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。     

水-酒精混合蒸气在竖直管外凝结特性的研究

在低于大气压下,通过实验研究了水蒸气和不同酒精含量的水-酒精混合蒸气在竖直铜管外的凝结换热特性,同时记录了凝结状态.实验结果显示:在不同的酒精含量下,随着过冷度的变化,凝结换热系数均呈现出具有峰值的非线性变化特征;随着酒精含量的减少,凝结换热系数显著增大;当酒精的质量分数为1%时,凝结换热系数的峰值是相同条件下水蒸气凝结换热系数的9倍;当酒精的质量分数为50%时,凝结换热系数与相同条件下的水蒸气凝结换热系数相当.分析表明,凝结换热系数的非线性特征是由于凝结液热阻以及扩散热阻的复杂变化所引起的.     

水和甲醇在硅基微通道中换热特性的实验研究

以水和甲醇为工质,在三角形硅基微通道热沉中进行了层流流动与换热的实验研究.基于实验结果,得出了摩擦常数及平均Nusselt数的实验关联式.并发现入口段效应对微流体的流动与换热的影响十分显著.在相近的工况下对采用这两种工质时的微通道壁温进行了比较,结果表明采用水为工质时壁温较低,其原因主要在于水的导热系数及比热均较高的缘故.并对这两种工质在微通道中流动与换热综合性能进行比较,结果发现采用水为工质时具有较好的综合性能.     

截面形状对微通道流动沸腾影响的数值研究

针对换流阀元件在工作时需要高效冷却的要求,采用全氟己烷类液体为工质的微通道相变冷却代替传统水冷系统,并对其在圆形、方形、三角形和梯形4种截面形状微通道内的流动沸腾特性进行了数值模拟,质量流量范围为0.000 1～0.002 kg/s,热流密度范围为50～500 kW/m~2。数值分析结果表明:通道内的锐角边会限制气泡的生长,加速气泡的融合、破碎;局部换热系数沿流动方向逐渐增大,相同当量直径下三角形通道局部换热系数最大,圆形次之,梯形最小;随着热流密度与质量流量增大,4种通道的平均换热系数均增大,当质量流量增大19倍时,换热系数增大0.11～0.32倍,压降增大5.62～8.98倍;当热流密度增大9倍时,换热系数增大0.16～0.20倍,压降增大1.08～1.53倍;三角形通道的性能因子最大,综合换热性能最佳。该研究可为换流阀微通道相变冷却系统的设计提供理论依据。     

滑移流区平行平板微通道内单侧加热流动与换热

对一侧等热流、一侧绝热热边界条件下,流动与热充分发展的平行平板微通道在滑移流区内层流流动与换热进行了理论分析,研究了槽道内速度场与温度场的分布、换热特性,以及Kn、动量协调系数、热协调系数的影响.     

煤粉加压气化炉膜式螺旋管和蛇形管对流传热特性研究

对煤粉加压气化炉对流段的不同换热结构进行了换热特性的实验研究,其中换热结构包括膜式螺旋管环形通道换热器和膜式蛇形管平行通道换热器,实验气体为单质气体N2、He及其混合气,实验压力为0.5～3.5MPa.为此,针对不同冲刷形式、不同气体和压力提出了换热器换热系数及其扩展的计算方法,同时给出了典型冲刷形式的对流换热的关联式和适用条件.实验研究表明:冲刷形式对换热系数有很大影响,单通道和多通道换热系数与换热面积之间呈加权平均的关系;在相同换热条件下,膜式螺旋管环形通道换热器的换热系数高于膜式蛇形管平行通道换热器.     

水平外螺纹槽管强化水蒸汽凝结换热的实验研究

本文介绍了真空及螺距、肋顶宽、肋顶角等对螺纹槽管强化水蒸汽管外凝结换热影响的实验研究结果,得出了适合于实验条件的计算凝结换热系数的经验公式.试验表明,螺纹槽管能有效地提高水蒸气的膜状凝结换热系数.     

微通道冷却非均匀热流密度芯片的流动换热特性

为研究微通道冷却非均匀热流密度芯片的流动换热特性,采用VOF方法,通过数值模拟分析局部热点对微通道内流型、温度、换热系数及压降的影响.研究结果表明:随着热流密度增大以及流速减小,整体的流型呈现出从泡状流到环状流的变化过程;而提高热点热流密度并不会显著改变微通道内的整体流型;热点热流密度提升不仅会使该处区域的温度骤升,而...     

蛇形管平行通道中高压气体的对流换热特性研究

在高温加压的条件下研究了膜式蛇形管平行通道换热器的对流换热特性,试验气体为N2,试验工质的压力为0.5～3MPa.提出了不同冲刷形式、不同压力下的具体换热系数计算方法,同时给出了典型冲刷形式的对流换热关联式及其适用条件.试验研究表明:冲刷形式对换热系数有很大影响;单通道与多通道的换热系数是面积加权平均的关系;在相同的换热条件下,膜式蛇形管平行通道换热器的换热系数高于蛇形管平行通道换热器;相同温度条件下随着压力的升高,换热系数升高,但升幅逐渐减小.     

CO_2微通道气体冷却器压降与传热特性研究

在微通道平行流式气冷器内进行了CO2的压降和换热特性实验研究,探讨了跨临界CO2循环换热过程中制冷剂质量流量、系统压力对气冷器换热性能、进出口压降的影响.实验结果表明:在接近临界温度时,CO2物理性能受压力和温度的影响较大,换热系数是远离临界区的7～9倍;随着CO2质量流量的提高,微通道管内流体Re相应提高,而较高的Re又使得湍流扩散率、管内温度梯度增大,同时在制冷剂入口附近的微通道换热器高温区域面积增大,表明当系统压力相同时,制冷剂入口温度随CO2质量流量的增加而增大.在一定的质量流量或压力下,存在着一个最佳的压力或质量流量,使得气冷器进出口压降达到最小.随着Re增加,气冷器的CO2压降关联式的预测精度均有所提高,为此提出了新的换热关联式和压降关联式.     

重力场下细微循环通道内热驱动换热的数值模拟

采用数值模拟方法,比较了重力场下4种细微循环通道内的热驱动换热现象.4种通道都是一端加热,一端冷却,利用彻体力场下流体的热驱动来实现换热.研究表明,4种循环通道具有相同的热驱动换热规律,并且随着循环通道的增加,热驱动换热能力逐渐增强.因此,将微小循环通道换热运用于涡轮叶片的冷却时可以考虑采用多循环通道,利用流体的自适应性来增强换热.     

微通道分离式热管换热特征的模拟研究

为了研究充液率和运行参数对微通道分离式热管性能的影响,建立了微通道分离式热管的稳态换热模型,并验证了模型的准确性,模拟和实验结果最大相对误差为7.9%.基于该模型分析了充液率、风量以及蒸发器和冷凝器之间高度差对制冷剂侧换热系数、空气侧压降、换热量和能效比等参数的影响.计算得出系统最佳充液率范围为80.2%~105.6%,相应的换热量为3.75~3.90kW.制冷剂侧换热系数随着充液率的增加先增大后减小,系统压力随充液率增加而增大;同时当蒸发器侧风量由1 500m~3/h增加至5 000m~3/h时,系统换热量和EER分别增加了100.1%和92.5%;蒸发器和冷凝器高度差为2.4m的分离式热管比高度差为1.2m的分离式热管的平均换热量提高了9.18%.研究结果对微通道分离式热管的节能设计和运行控制有一定的参考价值.     

粗糙微通道内稀薄气体流动与换热的蒙特卡洛直接模拟

采用Delaunay三角化方法对计算区域进行网格划分,开发了适合于非结构化网格的蒙特卡洛直接模拟程序,并对程序的正确性进行了验证.在此基础上模拟分析了粗糙元为三角形的平行平板间微通道内稀薄气体的二维流动与换热.通道进出口压力固定,上下平板温度恒定.计算分析了粗糙元高度、宽度以及分布密度的影响.结果表明:微通道内粗糙元对流动与换热有明显的扰动;随着粗糙元的变大,速度跳跃显著,甚至出现漩涡,增加了通道内的压力损失;但粗糙元增强了微通道壁面与气体之间的换热.     

不凝性气体对竖直平板对流冷凝的影响

数值研究了不凝空气质量分数、液膜、空气-蒸气流速等对竖直平板冷凝过程的影响.气液两相流采用流体体积(VOF)法模拟,水蒸气在不凝空气中的输运过程采用组分输运方法模拟.基于气体分子动力学基本理论推导出相变模型,对纯蒸气冷凝过程数值计算并与理论解比较,确定模型系数.数值结果表明,少量不凝空气对蒸气对流冷凝的影响并不十分明显;随着不凝空气质量分数的增加,冷凝换热明显下降;含少量不凝空气的蒸气对流冷凝在忽略液膜影响时壁面换热系数约升高8%;水蒸气-空气混合气体流速升高对对流冷凝换热系数的提升低于纯对流换热.     

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.     

梯形横截面微通道内的水蒸气凝结压降实验及其模型修正

通过梯形微通道内水的单相流动摩擦压降和水蒸气凝结压降实验,分析水蒸气冷凝过程及压力和温度等参数对其水蒸气凝结压降的影响,根据实验数据修正Lockhart-Martinelli的两相流压降模型,提出了新的实验关联式,并将实验结果与现有微通道和常规通道的压降关联式进行比较.结果表明:单相层流摩擦因数随Re的增加而缓慢增大;凝结压降在质量流量保持不变的条件下,随干度的增加而增大,在相同千度条件下,随质量流量增加而增大,同时随微通道水力直径的增加而减小;根据实验结果回归得到适用于梯形微通道内凝结摩擦压降Martinelli-Chisholm常数C的关联式.     

混合冷剂在竖直矩形小通道内上升流沸腾换热模拟

为研究板翅式换热器流道内混合冷剂沸腾换热规律,建立了竖直矩形小通道内混合冷剂沸腾换热数学物理模型;基于理论推导的汽液相界面交互深度确定方法,采用CFX双流体模型模拟分析了混合冷剂在竖直矩形小通道内上升流沸腾换热规律,并与文献已有经验关联式进行对比分析. 结果表明:由于混合冷剂物性影响,沸腾换热系数随干度增大而降低;由于对流沸腾和核态沸腾换热机理共同作用,沸腾换热系数随质量流率、热流密度增加而增大;同时,模拟与经验关联式对比结果表明,Lazarek换热关联式计算结果与模拟吻合较好,其误差在±15%以内,将其应用于估算竖直矩形小通道内混合冷剂沸腾换热系数具有较高可靠性.