非均匀热流下R245fa/R134a两相流型及换热特性

针对有机工质在非均匀热流边界条件下的气液相变问题,基于质量分数配比为0.7:0.3的非共沸工质R245fa/R134a,建立了非均匀热流下10 mm内径水平管内的两相流动沸腾换热实验系统.实验工况为质量通量175～373kg/(m²s),热流密度9.95～47.57 kW/m².利用高速摄像仪和图像处理技术,对观察到的泡状流、塞状流、分层流和环状流4种流型进行了灰度值分析,并分别绘制了非均匀加热和均匀加热时的流型图.基于流型分析了干度、质量通量、热流密度和饱和温度对两相换热系数的影响,并将实验数据与4种现有关联式进行对比.结果表明,在相同的加热量下,相比于均匀加热条件,非均匀加热条件下流型由间歇流转变为环状流时的初始干度更低;换热系数在低干度区随干度变化较小,而在干度较高的环状流区域随干度增大而增大.此外,换热系数随质量通量、热流密度增大而增大,而饱和温度对对流沸腾区换热系数的影响不大,对核态沸腾区有一定影响.在非环状流区域4种换热关联式的预测能力都表现较差,而在环状流区域Sun&Mishima关联式的预测精度相对最高.     

烧结多孔表面分布式阵列射流沸腾

使用50, 100和200μm粒径的铜粉,分别烧结制作了厚度为2倍粒径的多孔结构表面,以新型环保电子冷却液HFE7000为工质,进行了分布式阵列射流沸腾的换热性能实验,并将实验结果与光滑表面进行了对比.结果表明,烧结多孔表面增加了对流换热面积,增强了流体扰动,大大强化了单相段换热性能,且流量越高,强化效果越显著;100和200μm颗粒烧结表面的强化效果接近,且明显好于50μm颗粒烧结表面,表明粒径和厚度对传热性能具有重要影响.在射流沸腾换热过程中,多孔烧结表面提供了更多的气化核心和更大的换热面积,但同时也增加了蒸汽逸出阻力, 100μm颗粒烧结表面强化效果最佳,其最大沸腾换热系数比光滑表面提高了61%.分布式射流是沸腾表面补液的主要途径,由于HFE7000本身表面张力小、亲水性好,多孔表面吸液能力对于临界热流密度(critical heat flux, CHF)的影响较小, 100μm颗粒烧结表面的CHF和光滑表面相比仅提高了17%.尽管如此,烧结多孔表面的核态沸腾偏离点(departure from nucleate boiling, DNB)与CHF之间的热流密度区间显著变大,对实...     

带有超疏水点阵的微细铜丝上的核态沸腾

表面亲疏水特性对沸腾有着重要影响.本文在直径为150μm的铜丝上修饰了宽度为100μm、间距为3 mm的超疏水点阵.借助微细丝较好的观测特性,对疏水点阵上的沸腾过程,尤其是气泡脱离及相互合并过程进行了细致考察.研究了单个疏水点大小对起泡的影响,并对带有疏水点阵的铜丝上的沸腾换热模型进行了初步考察.超疏水点阵可以显著提高核态沸腾换热效率,初步认为其主要原因在于点阵使得起泡更加容易,且沿加热丝更加均匀,但最优的核化点密度及其与铜丝的固体热性能的关系还有待进一步研究.     

垂直相分离冷凝管内气泡泄漏机理

提出相分离冷凝管在管内悬空布置微米级金属丝网,形成"气贴近管壁,液在中心"的流动结构,在管壁形成超薄液膜,显著提高管内冷凝换热系数.然而,相分离冷凝管内气泡向丝网中的泄漏,可能影响冷凝传热强化.为避免气泡泄漏,本文基于杨-拉普拉斯方程,通过考虑惯性力、黏性力及冷凝管内特有的脉动流等因素,提出相分离管内气泡泄漏的理论判别式,发现气泡泄漏主要取决于无量纲参数G*与We数;利用VOF方法发展了相分离结构中两相层流流动的数值模型.对气泡泄漏现象进行数值分析,结果表明,气泡泄漏出现在气泡顶端,与实验吻合良好;通过对比不同G*与We数下气泡运动规律,获得了气泡泄漏临界曲线,确定了气泡泄漏理论判别式中的待定参数,最终给出垂直相分离管内气泡泄漏临界判别表达式,为相分离冷凝管的设计及运行提供了理论依据.     

电感耦合等离子体CVD室温制备的纳米Si薄膜场电子发射研究

利用电感耦合等离子体化学气相沉积在室温下制备了Si薄膜,用拉曼谱对样品的结构进行了表征,502 cm^-1附近散射峰的出现说明在样品中形成了纳米结晶相。用原子力显微镜观察样品表面形貌发现,在合适的等离子体条件下制备的样品,其表面由随机均匀排列的高密度Si锥组成,Si锥的高度为30~40 nm,直径约为200 nm。场电子发射测量结果显示样品具有良好的电子发射特性,开启电压为7~10 V/μm。     

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.     

压力对锗的固化动力学的影响

锗是一种典型的共价型物质,研究其过冷与固化特性具有特别的意义.Devaud和Turnbull曾以B_2O_3作为助熔剂,研究了晶粒结构与过冷度的关系.当过冷度小于300K时,其晶粒尺寸大于100μm;随着过冷度的进一步增大,晶粒尺寸显著减小,在过冷度达到400K时,晶粒尺寸减小到10～20μm左右,但仍未形成非晶相.早在60年代初,人们就发现了锗在常温高压下能发生多种固态相变.但是,对液态锗在压力下固化后的微结构研究却未见报道.     

3种新形纳米氧化钛阵列体系的模板组装与表征

采用二次阳极氧化工艺制备了高度有序的多孔氧化铝模板, 通过模板法与溶胶-电泳沉积和溶胶-凝胶法结合的模板组装技术, 合成了3种具有高比表面积的纳米TiO₂阵列体系. 采用溶胶-凝胶模板法合成了直径50 nm, 长20 μm, 间距100 nm的棒状TiO₂纳米线阵列体系; 并通过控制模板孔深, 合成了TiO₂纳米点周期性调制薄膜, 薄膜表面的纳米点直径75 nm, 点间距100 nm, 薄膜背面为致密结构; 采用溶胶-电泳模板合成方法制备了形似糖葫芦的TiO₂纳米线阵列体系, 纳米线直径75 nm, 长为20 μm, 每根线都具有周期性的凹凸结构, 形似糖葫芦. 3种纳米阵列体系具有更大的比表面积, 可以预见这种表面调制的阵列体系, 将表现出不同于一般意义的薄膜及纳米点、纳米线的新物性和新效应.     

氨化Si基Ga2O3/BN薄膜制备GaN纳米线及其发光特性

利用射频磁控溅射技术在Si(111)衬底上制备Ga2O3/BN薄膜,然后在氨气中退火合成了大量的一维GaN纳米线.X射线衍射、选区电子衍射和傅立叶红外吸收光谱的分析结果表明,制备的GaN纳米线为六方纤锌矿结构.利用扫描电子显微镜和高分辨透射电子显微镜观察发现,纳米线具有十分光滑且干净的表面,其直径为40～160 nm左右,典型的纳米线长达几十微米.室温下以300 nm波长的光激发样品表面,显示出较强的363 nm的紫外光发射和422 nm处的紫光发射.另外,简单讨论了GaN纳米线的生长机制.     

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.     

氨化Si基Ga2O3/BN薄膜制备GaN纳米线

利用射频磁控溅射技术在Si(111)衬底上制备Ga₂O₃/BN薄膜, 然后在氨气中退火合成了大量的一维GaN纳米线. X射线衍射、选区电子衍射和傅立叶红外吸收光谱的分析结果表明, 制备的GaN纳米线为六方纤锌矿结构. 利用扫描电子显微镜和高分辨透射电子显微镜观察发现, 纳米线具有十分光滑且干净的表面, 其直径为40~160 nm左右, 典型的纳米线长达几十微米. 室温下以300 nm波长的光激发样品表面, 显示出较强的363 nm的紫外光发射和422 nm处的紫光发射. 另外, 简单讨论了GaN纳米线的生长机制.     

结构缺陷对超微晶软磁合金磁性的影响

非晶合金以Fe_(73.5)Cu Nb_3Si_(13.5)B_9为代表,在晶化温度以上退火,可以形成晶粒直径约为10nm的αFe-Si晶相及剩余非晶相组成的一种新型双相复合纳米材料(称为Finemet).这种纳米材料具有极高的初始磁导率(μ_i可达10~5以上),低的矫顽力(H_c可小于0.32A/m)和优良的高频磁性,目前已为许多磁学和材料工作者所注目.对其具有优良软磁性能的解释一般认为有两个:一是退火以后具有很低的磁致伸缩系数,二是由于晶化后αFe-Si晶粒十分细小,有效磁晶各向异性被平均化而减小,Herzer把非晶合金的无规各向异性模型运用于     

乙烷核态池沸腾中的气泡生长、脱离和上升

利用高速摄影仪对乙烷在水平铜表面饱和核态池沸腾中的气泡行为特性进行了实验研究,并开展了理论分析,实验测量压力为0.2 MPa,热流密度范围为14.65~80.79 kW m~(-2).实验中观测到气泡的生长、脱离和上升过程,得到单个气泡的生长周期,同时绘制出单个气泡生长周期内的直径变化曲线,并将其分为快速、慢速和稳定增长3个阶段,且气泡直径与时间呈幂函数关系.鉴于其分段特性,推荐采用分段预测模型.发现了气泡脱离直径及频率随热流增大而增大,气泡脱离形状随热流增大而呈现球型、椭球型和不规则形状的变化.还观察到气泡合并,轨迹变化,附加运动和流型变化等现象,并分析讨论了其形成机理,发现系统压力、加热壁面性质液体物性对气泡的行为特性有较大影响.相比文献中的常温液体,乙烷气泡生长周期有差异,其脱离形状有椭球型及不规则形状,且气泡上升轨迹变化相对简单.     

银纳米线网络的高有序排列及其图案化设计

银纳米线的有序排列及图案化,是制备柔性触控感知单元结构的关键步骤,也是银纳米线透明导电薄膜实际应用的最具挑战性的难题之一.传统的银纳米线有序化具有涂布速度慢、流体动力小、有序化程度不高等缺点.本研究使用0.4 wt%超细银纳米线(直径20 nm)的乙醇溶液在快涂布速度下(60 mm/s)制备了有序化程度高达0.82的银纳米线透明导电薄膜.银纳米线网络的超高有序化归因于毛细管作用力和流体动力的大幅度增加.在有序化银纳米线网络结构的基础上,利用常规光刻法和湿法刻蚀制备导电通道,通道宽度范围为20～500μm,精度高达99%以上,为其在可拉伸电极中的实际应用提供了参考.     

基于格子玻尔兹曼方法的单孔射流鼓泡床的离散颗粒模拟

利用基于格子玻尔兹曼方法的离散颗粒模型对单孔射流鼓泡床进行了研究. 此算法基于四向耦合的离散颗粒模型, 流体的控制方程采用考虑了孔隙率和流固相的滑移速度对流体流动影响的修正格子玻尔兹曼方法来求解, 颗粒间相互作用通过时驱硬球模型求解, 流固耦合采用EMMS曳力模型. 首先研究了不同颗粒对形成气泡大小的影响, 结果表明, 在相同的射流气速下, 粒径越大形成的气泡越小. 在粒径相同的情况下, 提高气体的入射速度, 则形成的气泡越大. 同时考察了气泡的分离时间与粒径以及射流气速的关系, 结果表明, 随着粒径以及射流气速在一定范围内的改变, 气泡的分离时间并没有明显改变. 另外颗粒床层扩展影响气泡形状, 颗粒床层变宽后, 气泡的形状接近于圆形; 颗粒床层高度增加时, 气泡明显变小. 最后考察了气泡诱导现象, 模拟发现当区域有空腔时, 气泡会被诱导到空腔的方向.     

湍流换热的场物理量协同与传热强化分析

在层流换热场物理量协同原理的基础上, 针对湍流零方程模型和k-ε 两方程模型, 建立了湍流换热的能量和动量协同方程, 揭示了湍流换热流场中热流、质量流与流体流动驱动力之间的协同关系及其所反映的强化传热机理, 将强化传热的场物理量协同原理由层流延展到湍流. 通过圆管内置旋扭式螺旋片的强化传热计算分析, 证明了湍流换热场物理量协同原理具有普遍性. 因此, 根据湍流换热流场的物理量协同关系, 可对各种不同的管内强化传热元件和表面的换热性能和流动阻力进行分析比较, 从而为提高传热单元或换热器的综合性能提供理论和设计依据.     

纳米气泡对HOPG表面BSA吸附影响的AFM原位观察

利用原子力显微镜(atomic force microscope, AFM)原位观察, 发现纳米气泡会影响牛血清白蛋白(bovine serum albumin, BSA)在疏水表面高序热解石墨(highly ordered pyrolytic graphite, HOPG)表面上的吸附. 在水/HOPG界面BSA分子可以均匀吸附并与纳米气泡共存. 注入乙醇除去纳米气泡后, 在原来纳米气泡的位置上BSA吸附层出现圆形空洞. 空洞的深度约8 nm, 直径在数十纳米. 纳米气泡与相应位置上空洞面积间的相关系数达0.88～0.94, 显示这些空洞确为纳米气泡所致. 另外, BSA分子环绕纳米气泡排列成环状, 说明在水/HOPG界面BSA倾向于吸附在接触线区域.     

电泳沉积法制备高度有序的SnO2/Fe2O3复合纳米线阵列

通过电泳沉积的方法在AAO模板微孔中制备出了高度有序的SnO₂/Fe₂O₃复合纳米线阵列, 并用SEM, TEM, EDX, XRD及XPS对其形貌和化学组成进行了表征. 结果显示所得SnO₂/Fe₂O₃复合纳米线的直径约为180 nm, 长度达几十微米, 由高度结晶的六方结构的α-Fe₂O₃和四方结构的SnO₂构成.     

垂直取向L10 FePt纳米粒子的磁性

用磁控溅射法在加热到700℃的MgO(001)基板上沉积了FePt薄膜. 依靠基板与薄膜间的晶格失配, 形成了磁化易轴垂直于基板平面的L10相(001)织构. 膜厚为5 nm时得到了直径约70 nm的纳米粒子, 4.2 K温度下其矫顽力达105 kOe(1 Oe=79.58 A/m). 膜厚增加到50 nm时, 薄膜由不连续变化为连续, 矫顽力下降了一个数量级. 用微磁学方法对单畴粒子的自发磁化和磁化反转过程进行了模拟. 结果表明, 磁化反转机制是涡旋式的成核, 模拟矫顽力为121 kOe. 这意味着实验获得的矫顽力已经接近理想单晶单磁畴粒子矫顽力的极限.     

布置带劈缝球凸结构微通道热沉内流动和换热特性

将球凸结构与鲨鱼皮仿生概念相结合,提出了带劈缝的球凸结构,并对布置该结构微通道内的流场结构和换热特性进行了数值分析.研究结果表明,宽劈缝通道有利于降低其尾缘逆压梯度,抑制通道流动分离;劈缝通道外移,劈缝壁面温度明显降低,通道尾缘分离泡尺寸减小;斜劈缝通道将主流沿展向引射到侧面,强化了通道二次流,有效降低了侧面角区温度,通道各壁面的温度均匀性得以提升.相同条件下, B方案(劈缝中心线在球凸直径上相对位置w/D=0.25)通道相对范宁摩擦系数(f/f_0)较小,劈缝宽度较大的工况中上述趋势更为明显,而劈缝宽度为10μm的微通道换热能力优势明显; A方案(w/D=0.33)中,劈缝宽度为15μm的通道f/f_0很低,其综合热性能(TP)较好.本研究中布置带劈缝球凸微通道TP最大为185.3%,表现出了良好的强化换热和节能性能.