微细通道内表面活性剂对Al2O3/R141b流动沸腾传热的影响

为了探究微细通道内表面活性剂对纳米流体制冷剂Al_2O_3/R141b流动沸腾传热的影响,采用二步法制备了添加0.2%(质量分数,余同)SDBS、0.3%SDBS、0.3%CTAB、0.4%CTAB、0.1%Span80、0.2%Span80的改性纳米流体制冷剂与0.1%Al_2O_3/R141b纯纳米流体制冷剂共7种实验工质.设计系统压力为170 kPa、热流密度为9.4～33.5 kW/m~2、质量流率为219.9～439.8 kg/(m~2·s),在高、宽分别为2.0、1.0 mm的矩形截面微细通道内进行流动沸腾传热实验.研究结果表明:表面活性剂对纳米流体制冷剂饱和沸腾区的流动沸腾传热系数影响十分显著;在选用的热流密度及质量流率范围内,采用前述6种添加了表面活性剂的纳米流体制冷剂时,饱和沸腾区平均传热系数较采用纯纳米流体制冷剂时分别提升27.7%、17.9%、13.8%、8.9%、7.9%、5.3%;表面活性剂强化因子SEF随质量流率的变化规律不明显,在同一质量流率下SEF随着热流密度的增大而减小,其中阴离子型表面活性剂SDBS对纳米流体流动沸腾传热的效果最好,阳离子型表面活性剂CTAB次之,非离子型表面活性剂Span80最差.     

两种电极作用下微细通道内的R141b流动沸腾传热

为研究电场作用下微细通道内流动沸腾传热特性,设计了两种电极布置方式将电场引入到微细通道中,选取制冷剂R141b作为工质,在设计系统压力140 kPa,工质入口温度305.65 K工况下,研究了电场对微细通道内制冷剂R141b流动沸腾传热的影响.结果表明:电场能够强化微细通道传热,针状电极作用下沸腾曲线明显左移,与针状电极不同,线状电极除0、250 V沸腾曲线基本重合外,其余沸腾曲线均明显左移,说明线状电极起强化作用的有效电压高于针状电极;饱和沸腾传热系数随热流密度的增大先增大后减小,随质量流密度的增大而增大,相对于无电场,在250、550、850 V的3种针状电极作用下饱和沸腾传热系数分别提高了39%、62%、77%,线状电极作用下提高了0%,50%,82%;低电压时,针状电极的强化传热因子大于线状电极的强化传热因子,高电压时则相反,在本实验工况下,针状电极下的强化传热因子最大为1.77,线状电极下的强化传热因子最大为1.82.     

基于混合热格子Boltzmann方法有限热源加热气泡动力学模拟

为探究不同润湿性表面单气泡动力学特性,通过引入差分方法的单组分多相格子Boltzmann模型,耦合能量方程构成了气液相变模型,模拟了不同润湿性表面单气泡形成过程周围流场与温度场细观,阐述了气泡生长脱离机理;研究了润湿性、过热度、有限热源长度对气泡动力学影响。结果表明,在相同过热度下,疏水壁面气泡生长速度大于亲水壁面。气泡脱离直径和脱离时间随着接触角增加而增加,亲水表面气泡脱离直径随着有限热源长度增加而增加,脱离时间随长度增加而减小。疏水表面气泡脱离直径与有限热源长度无关,脱离时间随加热长度增加小幅度减小。在不同的过热度下,亲水壁面气泡脱离直径随着过热度增加而增加,脱离时间随着过热度增加而减小。过热度对疏水壁面气泡脱离直径影响不大,但是随着过热度增加,脱离时间明显减小。模拟结果为研究强化表面沸腾传热及表面润湿性的选择提供理论依据。     

微流控芯片通道壁面润湿性对微滴生成的影响

液滴微流控中芯片微通道的壁面润湿性是决定微滴生成的重要因素之一。为研究环烯烃共聚物芯片微通道表面润湿性对通道内微滴生成以及流体流动行为的影响,利用流体体积(volume of fluid, VOF)模型对聚焦流微通道中水和氟油两相流动行为进行数值模拟,并制备了接触角为30°、90°、120°梯度下的芯片微通道壁面开展实验研究,模拟与实验吻合良好。结果表明:在固定物性和结构参数下,壁面润湿性越弱,油包水微滴越容易形成,壁面的减阻特性随之增强,并且壁面的减阻特性导致90°比120°时微滴的生成频率低29.3%,直径增大8.3%;随着润湿性的增强,水相相对于氟油相的界面由凸变凹,30°时芯片生成微滴由油包水变成水包油;随着连续相毛细数(Ca)的升高,壁面润湿性对微滴生成的影响减小。     

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.     

大量不凝性气体存在时不同润湿性传热管冷凝传热特性实验研究

为了提高大量不凝性气体存在时水蒸气的冷凝传热性能,实现对电力、化工、制冷等工业领域中余热的高效回收利用,基于水平管外冷凝传热实验系统,实验研究了氮气-水蒸气混合气体在不同润湿性光滑管和翅片管表面的润湿特性和冷凝传热特性。通过化学刻蚀与自组装方法对紫铜光滑管与翅片管表面进行疏水与超疏水改性处理,并且根据仿生原理,制备了亲水+疏水组合翅片管表面与亲水+超疏水组合翅片管表面。研究发现,当大量不凝性气体存在时,亲水+超疏水组合翅片管的冷凝传热特性最优,水蒸气体积分数对不同润湿性传热管的冷凝传热特性影响显著,并且随着水蒸气体积分数增大,超疏水翅片管和亲水+超疏水组合翅片表面的冷凝形式由珠状冷凝逐渐向膜状冷凝过渡。     

多段转弯连接回转通道的换热和压力分布研究

为了掌握涡轮叶片内的多段通道连接关系对回转通道壁面换热和沿程压力分布的影响,采用数值模拟方法研究了带肋单通道、回转通道模型的流动特性,通过瞬态液晶实验测量了回转通道壁面换热分布,揭示了多段通道连接关系对回转通道壁面换热的影响机理。实验结果表明:转弯连接使各段通道的速度分布不均;回转通道沿程压力系数逐渐减小;转弯连接使回转通道各段通道的换热分布不对称,沿流向的努赛尔数Nu逐渐减小;沿程展向平均Nu呈多波峰状分布,肋的扰流作用沿流向逐渐减弱,且两肋之间的高换热区沿流向逐渐向肋下游的背风面偏移;肋间区域的平均Nu沿流向逐渐减小;回转通道各段平均Nu随雷诺数的增加而增大,且增加幅度逐渐减小。     

竖直通道内饱和蒸汽凝结换热数值模拟

在依靠自然循环驱动的小型模块化反应堆主回路以及反应堆非能动安全系统中，冷凝换热是热交换过程的重要一环，因此对冷凝换热过程的深入研究和分析对提升换热效率、保障堆芯安全至关重要。该文基于格子Boltzmann方法，采用伪势模型，模拟研究了二维通道内静止饱和蒸汽在凝结过程中的流动和换热特性。结果表明：蒸汽冷凝会自发驱动蒸汽流动，蒸汽质量流速与通道宽度和凝结过程中的热流流量有关，保持壁面温度和通道宽度恒定状态下，液膜发展阶段壁面热流较大时，蒸汽质量流速增长较快；通道较窄时，入口处蒸汽平均质量流速初期增速较快但迅速达到稳态，通道宽度为150时的稳态入口平均质量流速约是通道宽度为500时的80.0%。对接触角的分析表明：亲水壁面上的液膜厚度受壁面亲水程度影响较小，壁面接触角为51°时出口处液膜厚度与接触角为72°时的相等。普通疏水壁面上珠状凝结难以维持，被液膜覆盖后相较于亲水壁面传热速率较慢，液膜滑移出计算域之前，壁面接触角为127°时壁面平均热流密度最大值约是接触角为51°时的75.8%,并随液膜滑移逐渐降低，但液膜受重力去除后再形成的过程能在一定范围内强化传热速率。     

微细通道内纳米制冷剂的流动沸腾传热特性

分别以0、0.031%、0.062%、0.155%、0.248%浓度的Al_2O_3-R141b纳米制冷剂为工质,在水力直径为1.33 mm的矩形铝基微细通道内进行了流动沸腾实验,研究了不同浓度纳米制冷剂实验后槽道表面能的变化情况.结果表明:加入少量纳米颗粒后,壁面形成大量的活化核心,使得沸腾起始点ONB提前,强化了传热;浓度为0.062%纳米制冷剂的强化传热效果最好,传热系数比纯制冷剂最大可提高48.1%;当纳米颗粒浓度超过最佳浓度而继续增大时,颗粒在表面沉积现象越来越严重,使槽道表面能增大,换热热阻也随之增大,强化传热效果反而依次降低.浓度为0.031%、0.062%、0.155%、0.248%纳米制冷剂实验后的槽道表面能,比槽道原始表面能分别增长了0.47、1.39、1.89、2.14倍.     

三通道旋流冷却流动与传热性能

针对雷诺数为40 000下涡轮叶片内部三通道旋流冷却结构进行瞬态热色液晶实验与数值模拟研究,并与普通转折通道进行比较分析.通过瞬态实验获得壁面高精度的努塞尔数分布与通道的沿程压力损失,结合数值计算结果得到如下结论:旋流通道显著增强了系统的换热能力与换热均匀性,第2、第3流程的壁面平均努塞尔数比普通转折通道分别提升了60%、57%;转折位置的冲击损失与节流损失是三通道结构的主要压力损失;旋流通道的全通道压力系数约为普通转折通道的3倍,且随着雷诺数的增大有增大的趋势;数值计算显示旋流通道内总压损失比静压损失减少了25%,使用总压分析沿程压力系数更为合理.     

气泡碰撞极端湿润性表面的行为特性

为提高极端润湿性表面的功能性,制备了超亲水、超疏水高粘附、超疏水低粘附3类极端湿润性表面,利用高速摄像机对不同上升高度下的气泡碰撞极端湿润性表面进行了行为特性研究,所用气泡当量直径分别为2.16、2.59、3.32 mm.研究发现,表面湿润性、气泡上升高度(L)和气泡当量直径(D)对气泡行为特性有着重要影响,表面微观结构和表面张力是影响气泡在表面稳定状态的最为关键的因素.当气泡碰撞超疏水低粘附表面时,先振荡或弹跳,最后在表面铺展成一层气膜;碰撞超亲水、超疏水高粘附表面时,气泡先振荡或弹跳,最后以球缺状的形式静止在表面上.气泡碰撞表面速度较大时,气泡在3类表面上都会发生弹跳行为,其初次弹跳高度(h_1)随着L增大先增大后减小,在L为13.6 mm时均达到极值,分别为6.05、5.53、4.37 mm.对超疏水低粘附表面而言,随着气泡直径的增大,气泡在碰撞过程中的能量耗散增加,因此h_1逐渐下降,气泡发生铺展的时间逐渐缩短.     

粗糙度对微通道内两相流摩擦压降的影响

以去离子水和质量分数为0.3%的水基Al_2O_3纳米流体为工质,对水力直径为1 241μm的矩形微通道内流动沸腾过程进行研究。为了探究微通道壁面粗糙度对两相流摩擦压降的影响情况,运用化学抛光处理手段来改变壁面粗糙度。研究结果表明:实验工况相同时,两相流摩擦压降随着微通道壁面粗糙度的增大而增大;纳米流体为工质时两相流摩擦压降高于去离子水为工质时两相流摩擦压降,高热流密度下更为差异明显;将实验值分别与3种分相模型的预测值对比来验证现有压降模型的准确性,结果偏差较大,而且壁面越粗糙预测效果越差。现有的压降计算模型需要进一步完善以增强其普适性。     

超疏水材料表面的空气膜与自清洁作用对细菌黏附行为的影响

超疏水材料因其特殊的润湿性被广泛用作抑菌材料，许多研究认为超疏水材料与细菌溶液间的空气膜是其抑菌的关键因素，但鲜有研究能直接证明空气对细菌黏附的影响.本文应用电化学阳极氧化法和分子自组装方法，在钛箔表面制备了超亲水的二氧化钛纳米孔柱阵列(NPA)和超疏水的NPA.通过超声去除超疏水NPA固-液界面的空气膜，对比研究细菌在超疏水样品有无超声情况下的黏附，其中细菌黏附应用荧光显微镜进行表征.结果表明，超疏水NPA相对于超亲水NPA表现出明显的抗菌效果；肉眼可见的空气膜在局部区域内，可明显阻碍细菌的黏附，从而影响细菌在超疏水材料表面的分布；但从黏附细菌的整体数量对比，超疏水NPA固-液界面的空气膜对细菌的黏附数量并没有显著影响.此外，超疏水材料表面黏附的细菌易在常规的实验漂洗过程中脱离材料，这提示了在考察超疏水材料的抑菌性能时，需要考虑材料的自清洁作用对其抑菌性能表征的干扰.     

平直纳米通道内液体流动规律的分子动力学研究

采用分子动力学方法模拟了液体氩在宽度为20．4原子直径的平直通道内的三维Poiseuille流动,对液体在纳米通道内流动的速度分布以及速度滑移进行了研究．结果表明：在壁面附近,牛顿流体的速度分布二阶导数与流体粒子数密度分布的大小有关;无论疏水或亲水表面,在捕捉和分析流场时的网格足够细、分辨率足够高的情况下,流体在壁面处的速度等于0;根据速度滑移的定义和相关计算方法,温度为119．8K、比容为0.73×10^-3m3／kg的液体氩流过疏水表面时滑移长度为1—2原子直径,流过亲水表面时滑移长度为-0．4--0．7原子直径．     

旋转带肋回转通道流动换热数值模拟

为进一步了解涡轮动叶旋转内冷通道的流动换热规律,选取动叶内通道的相似放大模型进行实验和数值模拟研究。通道进口雷诺数为17 000,3个出口的流量分配比为1∶2∶1,旋转半径与水力直径比为46.4,旋转数分别为0和0.09。静止实验测量了沿程静压系数和努赛尔数(Nu)分布,三维数值模拟了旋转通道内部涡结构对流动换热的影响。结果表明:旋转造成通道涡偏移,改变了速度场分布,使哥氏力指向的壁面附近流速增加;旋转离心力使径向出流沿程静压系数逐渐增加,径向入流沿程静压系数迅速降低;肋扰流涡使沿程展向平均Nu呈多波峰状分布;转弯回流涡使得转弯下游通道的Nu不对称分布;旋转促使内通道的流体偏向哥氏力指向的壁面,增加了径向出流压力面和径向入流吸力面的Nu。     

不同截面微通道中流动阻力特性

实验研究了微通道内去离子水的流动阻力特性,微通道当量直径范围De=0.210～1.069mm,雷诺数范围Re=102～104,截面形状分为矩形、半圆形及三角形.通过测量微通道沿程压降及出、入口局部压降随流量变化关系,获得了沿程阻力系数及局部阻力系数.结果表明:当截面形状相同时,摩擦阻力系数随着当量直径的减小而降低;当量...     

具有微纳结构超疏水表面的槽道减阻特性研究

目前一系列实验研究表明,在由一级微米结构或一级纳米结构构成的超疏水表面制成的槽道中,在层流的条件下,存在明显的减阻效应.但是以往的实验中,所采用的超疏水表面均是由一级微米结构或者纳米结构构成,并且流动槽道的尺度均是在微米量级,对于宏观尺度槽道中的流动减阻没有相应的研究.在本文中,首先介绍了一种全新的利用碳纳米管构建具有微纳二级结构的超疏水表面的方法,然后在由该表面构成的宏观尺度的槽道进行了流动阻力特性实验,实验发现由微纳二级结构构建的超疏水表面形成的宏观尺度槽道中,在层流条件下,依然具有减阻效应,且最大减阻达到36.3%.同时利用mirco-PIV技术对槽道内的流动速度进行了测量,与传统的壁面无滑移理论不同,在超疏水槽道内,发现在壁面处流体存在明显的速度滑移.     

微细管内压力功及粘性耗散对流动特性的影响

微细通道内的流动特性研究是一个新兴的研究领域,由于尺度微小,在常规尺度管流中被忽略的某些因素在微细通道中的作用将变得显著。因此,利用量级分析和数值计算的方法讨论了压力功及粘性耗散对微细管内可压缩流体绝热流动特性的影响,并得出以下结论： 对微细管道内的可压缩流体流动,压力功及粘性耗散已成为不可忽略的因素,它们的影响主要体现在使沿管程Ｍａ 增加趋缓及压降减小,但对流动阻力特性影响不大,局域Ｆａｎｎｉｎｇ 摩擦因数Ｃｆ与Ｒｅ的乘积不再是常数１６,而是局域Ｍａ 的函数,并随局域Ｍａ 的增加而增大     

低渗油田表面活性剂驱油机制

以降低启动压力理论为依据,结合表面活性剂溶液对相对渗透率影响等实验,研究表面活性剂降低油层注入压力的机制。结果表明,表面活性剂可降低油水界面张力,增加原油流动能力;表面活性剂能改变岩石表面润湿性,使岩石润湿性向亲水方向转变,减小水驱毛管阻力;表面活性剂能增加水相渗透率,降低注入压力;当表面活性剂质量分数为0.2%、注入量为0.5 VP(VP为孔隙体积)时,选择含水率低于70%注入活性剂驱油效果较好。     

不同雷诺数下90°弯管内流动特性的数值研究

运用FLUENT软件中的RNGk-ε模型对不同Re下圆形截面90°弯管内空气流动进行了模拟,分析了管内压力分布、二次流动和壁面上压力系数的变化,研究了Re不同时对壁面压力系数的影响.发现在气流进入弯管段后,流场由于流体惯性和分子黏性的相互作用,各个截面上出现了对称的二次流涡对.随Re增大,流体对于管道壁面的压力增大,管内压力损失也在增大.管道壁面上的压力系数随Re的不同差别不大,Re越大,压力系数越小,并且管道外壁面变化比内壁面更加明显.湍流时压力系数沿程变化比层流明显很多,曲率的影响也要强于层流.