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.     

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.     

矩形微通道流动入口段的阻力特性分析

运用Fluent软件对宽高比ε为0.1～1.0的矩形微通道层流流动入口段的阻力特性进行了三维数值模拟.结果表明:宽高比ε和雷诺数Re对表观摩擦因子与雷诺数乘积f_(app)Re有一定的影响.f_(app)Re值随着宽高比ε的增大而减小,在不同的Re数范围内呈现了不同的影响.当Re数小于300时,f_(app)Re值随Re数的增大而减小;Re数大于300后,f_(app)Re值随Re数变化很小.当流动达到充分发展后f_(app)Re值保持不变,且与Re数无关.此外还研究了ε和Re数对水力进口长度的影响.发现当Re数小于和等于20时,无量纲进口长度随着ε的增大逐渐减小;当Re数大于20,无量纲进口长度随着ε的增大呈先增后减的趋势,且在宽高比为0.3～0.4时达到峰值.基于得到的结果,提出了新的层流流动进口长度关系式,该式对微型设备的设计和优化具有一定的指导意义.     

矩形通道内置加热板混合对流的实验研究

通过实验研究了中心截面带有加热平板的水平和倾斜矩形通道入口段的混合对流换热,该矩形通道和加热平板均采用高热导率材料制作,矩形通道外壁面绝热.实验过程中Re从334变化到1 911,管道倾角从-60°增加到60°.实验数据处理时采用壁面均匀恒定热流边界条件,处理结果与相关文献吻合较好.通过实验得到了管内平均Nusselt数和压力损失的分布.实验结果表明:换热系数是充分发展层流混合对流的2到3倍;当Re增加时,管内换热系数增加,压损随之增大;当Re较小时,换热系数和压损均随倾角的增大显著增大;当Re约增加到1 800时,角度变化对换热系数和压损的影响很小.     

竖直矩形窄通道空气自然对流换热特性的实验研究

实验研究了竖直矩形窄通道内空气自然对流换热特性.实验段间隙为1.0、1.8和2.5 mm,实验段宽为60 mm,高为800 mm,高与间隙之比为320～800,宽与间隙之比为24～60.实验在环境温度和压力下进行,在实验段宽边两侧对称均匀布置电加热棒间接加热,平均壁面热流密度为100～1 500 W/m2.实验结果表明:由于实验段进出口端部效应的影响,壁面最高温度出现在流道出口上游,而不是出口处;壁面热流密度呈现端部偏高、中部趋于平坦的趋势.换热特性分析表明,本实验结果要比文献中公式预测的结果偏高,并且在0.141～16.8的Rayleigh数范围内,3个实验段的换热可以很好地用关系式Nu=0.263Ra0.308拟合.     

蒸汽冷却带肋矩形通道流动和换热特性数值研究

为了阐明蒸汽冷却带肋矩形通道的换热增强机理,基于三维RANS方程和标准k-ω湍流模型,数值模拟了带肋矩形通道的流场和换热特性,研究了雷诺数、入口宽高比和肋间距对流动和换热特性的影响,进一步分析了努塞尔数与雷诺数、入口宽高比、肋间距之间的关系,由此得出带肋矩形通道的传热关联式。结果表明:肋片的存在破坏了较厚的换热边界层,增强了换热性能。雷诺数增大,平均努塞尔数、综合换热因子均增大,阻力系数小幅上升;宽高比增大,平均努塞尔数、综合换热因子均增大,阻力系数大幅上升;肋间距增大,平均努塞尔数增加,阻力系数先增后减,综合换热因子先减后增。所得传热关联式可为先进燃机蒸汽冷却叶片的设计提供参考。     

矩形通道内航空煤油流动换热数值研究

针对先进动力装置利用航空煤油实现再生冷却的现实需求,建立了矩形冷却通道流/固/热耦合的三维数值模型,分析了入口质量流量、压力、热流密度等工况条件对矩形通道内航空煤油流动传热特性参数的影响。结果表明：增大质量流量和减小热流密度都会提升航空煤油的换热能力;在一定压力范围内,压力对航空煤油换热的影响不明显,但随着压力的增加,煤油的换热能力变差;由于传热恶化的发生,上述工况对压力损失和摩擦阻力的影响较为复杂。     

水平矩形通道内纵向涡发生器强化换热的研究

研究了在较低壁温（小于120℃）,Re＝800－7000以及空气介质强迫对流的情况下,水平加热片上安装三角形涡发生器的强化换热效果,实际结果表明：纵向涡发生器是强化平板紧凑换热器气侧换热的有效形式,发生器布置的方式、排放以及攻角都会影响强化换热效果。     

微小矩形通道内气体充分发展层流流动的数值模拟

基于贴壁层概念和已经求得的贴壁层内气体粘性系数变化规律 ,建立了数理模型 ,求解了矩形微小通道内气体流速分布完全发展的层流流动 ,得到了不同截面高宽比 ξ和不同 Knudsen数下的量纲一速度分布和流动阻力因数 ,并对结果进行了分析 ,为进一步研究不可压气流在微小矩形道内的层流换热提供了分析基础     

带60°肋和出流孔的矩形通道端壁换热特性研究

根据相似理论放大的模型,采用热色液晶瞬态测量技术研究带有60°肋和单排溢流孔的内流通道的换热特性,分析主流雷诺数和出流比对壁面对流换热的影响规律.矩形内流通道进口雷诺数变化范围是20 000～80 000,通道出流比变化范围是0～0.6.实验结果表明:出流作用使出流孔附近区域的换热得到了强化;主流雷诺数一定时,随出流比的提高,壁面平均换热系数和增强系数都先略微增大后逐渐减小;出流比一定时,随雷诺数的增加,端壁平均换热系数基本呈线性增加,而换热增强系数则减小.     

不同旋转轴对矩形通道内湍流与换热影响研究

对旋转矩形通道(横截面的长宽比b/a=2)内湍流流动和换热进行了大涡数值模拟.基于一种具有二阶精度的不协调混合格式(Adams-Bashforth/Crank-Nicholson)对N-S方程进行离散.采用动态亚格子模型对雷诺应力进行了模拟.湍流雷诺数Reτ和普朗特数Pr分别为400和0.71,旋转数Roτ=0～5.分析了管道横截面内平均速度、平均温度以及湍流强度的分布.结果表明,不同的旋转轴对湍流流动和换热有重要的影响,在高旋转数时,湍流结构在稳定侧和非稳定侧均有明显的变化.在相同旋转数下,与矩形通道绕z轴旋转时相比,系统绕y轴旋转的平均换热系数有所增大.     

具有移动边界平行平板通道内的层流对流换热

采用贴体坐标系来处理复杂边界，在同位网格中利用SIMPLE算法实现速率场与压力场的耦合，求解了平行平板通道一侧带有移动边界的层流对流换热问题，计算结果表明，换热量发生极值的时刻并不与移动边界移动到极值位置的时刻相对应，而是有一定的相位差，表征运动周期的Sr及运动边界的振幅对通道的换热量具有显著影响，但在相同的时段内，Sr对于壁面总换热量的影响较小，运动边界的振幅对壁面总换热量的影响显著，另外，由于边界的移动，上，下壁面的换热均得到了强化。     

微通道内纳米流体换热与压降特性

为研究微通道换热和压降特性的影响因素,在当量直径分别为0.923 1,1.333 3和2.000 0 mm的矩形微通道内,以0.1%和0.5%(体积分数)的Al2O3-H2O纳米流体为实验工质,进行无相变以及沸腾传热与流阻特性实验研究,分析雷诺数对努塞尔数和单相流动压降的影响。研究结果表明:增加纳米粒子体积分数对摩擦压降影响较小,而努塞尔数则得到较大提高;在2.0 mm宽槽道内,纳米流体的换热系数比水的换热系数高18%;而0.6 mm宽槽道的换热系数比2.0 mm宽槽道的换热系数提高了近2倍;随着槽道尺寸的减少,摩擦压降显著增大;当雷诺数为800时,0.6 mm和1.0 mm宽槽道摩擦压降分别是2.0 mm宽槽道摩擦压降的23.3倍和4.4倍;热流密度和质量流量增大都将导致摩擦压降增大。     

纵向涡发生器对矩形窄通道内对流换热的影响

针对反应堆堆芯板状燃料元件冷却通道内的强化传热问题,对带有周期性分布纵向涡发生器(LVGs)的水平矩形窄通道内的流动与换热进行了实验研究,得出了雷诺数在3×103~2×104的范围内LVGs安装形式(一侧带LVGs或两侧带LVGs)对水的流动与换热特性的影响规律.结果表明:带有周期性分布LVGs通道的平均努谢尔数比光通道的高25%~35%,但阻力系数也比光通道的高.在3种不同比较准则(相同质量流量、相同压降及相同泵功)下,两侧带同向LVGs通道的综合性能好于单侧带有LVGs通道的综合性能.LVGs能够破坏热边界层,带走更多的热量,从而降低板状燃料元件的温度和堆芯的烧毁率.     

矩形通道内具有Rayleigh-Benard对流的湍流换热大涡模拟

基于动态Smagorinsky涡黏模型对矩形通道截面内具有Rayleigh-Benard对流的湍流充分流动和换热问题进行了大涡模拟研究,分析了浮升力对管道截面的平均速度、温度分布以及雷诺应力的影响.湍流雷诺数为400,格拉晓夫数从105变化到107.研究结果表明:随着格拉晓夫数的增大,浮升力增强,通道内平均速度减小;亚格子黏性系数明显增大,湍流强度增强,换热也明显增强;由于浮升力的存在,在高温壁面附近,主流湍动能减小,展向湍流强度大大增强;初始条件对平均速度及温度的分布有一定的影响,但对平均的阻力系数及换热系数没有影响.     

竖直矩形通道降膜吸收器热质性能的试验研究

试验研究了溴化锂水溶液沿竖直矩形通道降膜吸收过程的传热传质情况。结果表明,溴化锂水溶液降膜流量、吸收压力、溶液进口浓度及进口温度对总传热系数、平均降膜吸收率的影响比较大。     

微反应器入口尺寸对甲烷自热重整暂态特性的影响

利用化学反应动力学机理研究了中温条件下CH₄/O₂/H₂O在微型直管反应器内的重整特性。讨论了反应器入口尺寸在0.5～5.0 mm范围之间变化时,重整产氢和甲烷转化效率的暂态特性。研究结果表明:在本文的研究范围内,当反应器尺寸变化时,无论反应中的其他物理量是否随之同比例缩放,均发现反应器尺寸越小,反应速率越快,反应越容易趋于稳定,且反应后氢气产量越高,甲烷转化率越高。     

基站用微通道分离式热管换热性能实验研究

分离式热管空调能够有效降低基站能耗,采用微通道换热器作为其蒸发器和冷凝器可提高其换热性能.为了分析充液率对微通道分离式热管换热量、能效比及制冷剂压力、温度的影响,以及两种风量,不同室外温度下最佳充液率范围和换热量的变化,由焓差实验台模拟基站室内外环境,以R22为工质,对该系统进行测试.结果表明:标准工况下,系统最大换热量和EER分别为4.0kW和11.8,最佳充液率范围为79.3%~105.8%,系统压力随充液率增加而增大,蒸发器进出口温差随充液率的增加先减小,后略有增大;蒸发器侧的风量由3 000m~3/h减少到1 700m~3/h时,最佳充液率范围不变,最大换热量和EER减少了29%,蒸发器出风温度由23.9℃降低到23.0℃.在不同室外温度下,最佳充液率范围随室外温度降低而变小,室内外温差增加能显著提高该系统的换热性能.研究结果对基站用微通道分离式热管的理论模型建立、节能设计与运行控制有一定参考价值.     

竖直矩形细通道内的水沸腾换热特性

以宽度为1.0 mm和0.1 mm的竖直矩形细通道内的沸腾换热特性为研究对象,运用数值模拟的方法探索气泡生成、长大和脱离的过程,通过几何重构和界面追踪的方法获取相界面移动和变化对系统内压差以及平均表面换热系数的影响。计算中考虑重力、表面张力和壁面黏性的作用。研究结果表明:通道宽度的不同对气泡生长方式和气泡形态产生很大影响,且核态沸腾换热系数随着细通道宽度的减小而增大;表面张力在细通道沸腾换热过程中所起的作用明显增大,证明细通道有强化换热的作用;由于数值计算中进行了理想化假设,导致数值模拟的沸腾传热系数比现有细通道沸腾传热实验传热系数普遍偏高。     

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.