不同厚度储能单元内相变传热强化及经济效益

以正十八烷为相变材料,在等热流加热条件下,对不同厚度大长宽比矩形储能单元内的相变材料融化传热过程进行试验.通过对融化相变过程中储能单元被加热面的温度检测,验证融化过程中存在相变材料固相部分的重力沉降效应,该效应强化了相变传热.试验结果表明,不同厚度的储能单元均在倾斜角为90°时融化相变传热的效果最佳;通过经济效益分析,得储能单元厚度为20mm,倾斜角为90°时,在提高相变传热的基础上经济效益最佳.     

自然对流融化过程的格子Boltzmann方法模拟及分析

采用基于焓法的格子Boltzmann方法对方腔内相变材料的融化传热及液相流体流动过程进行数值模拟,重点分析Rayleigh数对融化相变传热过程的影响,并通过源强化传热概念及场协同理论,从新的角度去认识其传热机理.研究表明Rayleigh数对融化传热过程有着重要的影响,一方面Rayleigh数增加能够强化加热面的换热性能,但另一方面随着Rayleigh数增大其强化换热的程度减弱,这主要是因为随着Rayleigh数增大,速度场与温度梯度场之间协同性整体上变得越来越差.     

重力沉降效应对相变材料融化传热过程的影响

以正十八烷为相变材料,在不同加热功率的等热流边界条件下,对大长宽比矩形储能单元在不同倾斜角度下的相变材料融化过程进行了试验.通过对相变过程中储能单元壁面的温度监测,确定相变材料融化过程中固相重力沉降效应对融化过程的传热强化效果.试验结果表明,当加热功率为60 W、储能单元倾斜角为90°时,作为相变材料的正十八烷的传热效果为最佳.     

格子Boltzmann方法模拟磁场作用下的融化传热过程

采用格子Boltzmann方法对磁场作用下方腔内相变材料的融化传热及液相流体流动过程进行数值模拟,重点分析磁场倾角对融化相变传热过程的影响,为实现相变传热的主动控制技术提供参考.研究表明磁场可以控制融化相变传热过程,当磁场倾角大于180°时,磁场加速度方向指向热壁面方向,磁场强化换热,热壁面平均Nu_h数增加,融化速率加快;当磁场倾角小于90°、磁场加速度方向指向冷壁面侧时,磁场弱化换热,热壁面平均Nu_h数下降,融化速率降低;磁场倾角为231°时,磁场强化传热效果最佳.     

纳米复合相变材料融化传热特性的格子Boltzmann方法研究

基于双分布函数模型方法,建立了一个模拟伴随有液相自然对流的纳米复合相变材料融化传热过程的格子Boltzmann方程模型.其中温度分布函数方程的构建采用直接基于焓方程的方法 ,避免传统方法需要迭代处理源项,提高了计算效率.应用该模型对方腔内纳米流体自然对流传热过程进行模拟,模拟结果与文献结果吻合较好;在此基础上对纳米复合相变材料融化过程进行模拟.结果表明,有效黏度系数的变化对纳米复合相变材料融化传热有着至关重要的影响,偏高的黏度系数可能会抑制纳米流体相变换热过程.此外,在给定的纳米粒子体积份额情况下,区域相变材料融化传热性能随Rayleigh数的增大而增强.     

圆筒壁和球壁中固液相变强化传热机理分析

为研究固液相变强化传热机理,通过有内热源的稳态导热与固液相变传热之间的比较,对一维圆筒壁和球壁在等温(第一类)边界条件下的导热问题进行了理论分析。揭示了该种情况下固液相变强化传热的机理,推导出以无内热源稳态和瞬态传热速率为基准的相变界面换热强化度的解析表达式。结果表明,当几何尺寸给定时,影响相变界面换热强化度的因素有:相变材料的导热系数、定压比热容、融解热、密度、以及相变温度与接触表面的温度差;且Stefan数及Fourier数越小,相变界面强化传热的程度就越大。     

三元双向相变储能换热器的数值模拟与分析

目的建立应用于通信基站中的相变储能空调系统中的相变储能模块,使得空调系统达到在夜间利用室外自然冷源和低压电同时给相变材料蓄冷,以解决通信基站等设备高负荷运作的高温地点中的冷负荷问题.方法建立了一种三元双向的板式壳式换热器,基于不同气候下基站房间的供冷需要,提出了相变储能空调工作的5种工况,并对该换热器的四种运行情况下的蓄、释冷情况进行了模拟仿真,最后对其传热单元数进行了计算.结果通过对相变储能换热器的模拟,得出其蓄、释冷过程中的温度分布,液相分布,蓄冷与释冷规律,计算得出笔者设计的此种相变储能换热器的综合传热单元数为3.5.结论笔者设计的相变储能模块可以满足对通信基站房间进行供冷的要求,具有较高的传热效能,在工程实践中具有可行性.     

方腔蓄热模型优化及蓄热过程数值模拟研究

为研究方腔式蓄热单元内有机相变材料融化过程的传热规律，数值模拟了不同体积分数石墨烯纳米片填充下复合相变材料融化过程的液相分数和努塞尔数的变化；针对方腔蓄热单元热量在顶端聚集的问题，构建了分层模型，模拟了不同模型中复合相变材料的融化过程。结果表明：当石墨烯纳米片体积分数分别为1%、3%和5%时，复合相变材料完全融化时间分别为32.1、20.0、17.5 min,与纯质石蜡相比，融化时间分别缩短了70.47%、81.62%和83.92%;方腔上下等分时，融化时间相比于未分层时缩短11.88%;将方腔上下部分别填充体积分数1%与5%的复合相变材料，相比于未分为层时，整体填充3%的复合相变模型融化时间缩短了25.83%。由模拟结果可得，在石蜡中添加石墨烯纳米片可以使其导热性能有很大程度的提高，同时黏度增长程度较小，对自然对流产生的影响也比较小。综合考虑可以发现，在石蜡中添加石墨烯纳米片可以强化其传热性能；分层模型可以缩短相变材料融化时间，合适的填充方案能够进一步加快矩形方腔的融化过程。     

填充金属泡沫铜对相变材料在半圆柱容腔中传热机理的研究

为研究不同金属泡沫铜填充率下金属泡沫铜对石蜡融化过程的传热规律，设计并搭建了一套可视化蓄能实验装置，并建立了对应的数学传热模型，分析了不同填充率下复合相变材料在融化过程中温度分布、固液相界面、速度矢量、液相分数和平均Nu的变化，得到了不同填充率下金属泡沫铜对石蜡相变过程的强化传热机理，并进行了实验验证。结果表明：当金属泡沫铜的填充率从0增大至1.28%时，复合相变蓄热材料的融化时间从901 s缩短至830 s,较纯石蜡减少了7.88%,而当泡沫铜填充率为1.28%时，石蜡内部温度为12.6 K,梯度最小；平均Nu从24.89下降到3.27,下降了86.9%。由模拟结果可得，填充率为0.43%、1.28%的复合相变材料液化速率较纯石蜡分别提高了1.61%、7.11%,这说明金属泡沫铜的填充率越大，强化传热效果越好。     

第3类边界条件下1维平板对流融化过程的量纲一分阶段求解

为了研究平板融化各个传热阶段的特性,以第3类边界条件下1维有限厚度平板对流融化过程为研究对象,同时考虑融化后的相变材料被周围流体及时带走,把传热过程分成3个阶段,分别建立了传热计算模型,并采用3次多项式热平衡积分方法对各阶段进行近似求解.利用推导的计算方法,以Stefen数(Ste)、Biot数(Bi)及量纲一环境温度(θa)为控制参数对相界面变化规律进行了讨论,结果表明:当Biθa3时,平板融化过程可以分为3个阶段,相反,可以分为2个阶段;在不同控制参数条件下,融化开始阶段量纲一相界面位置(H)与量纲一时间(τ)变化率相对较小,而融化后期变化率较大,且近似呈线性关系;在其他控制参数不变的条件下,随着Ste的增小,Bi或θa的增加,整个融化过程的总融化量纲一时间减小,且H与τ变化率增大.     

微重力条件下列管相变蓄热器的传热特性研究及拓扑优化

基于相变蓄热器在航天航空领域的应用，对列管式蓄热器建立物理模型和数学模型，采用数值模拟研究其在不同重力及雷诺数下的传热特性，此外引入基于变密度法的拓扑优化方法对蓄热器进行结构优化，设计出一种不等长拓扑肋片模型，并对比研究各因素对相变材料熔化速度的影响。研究结果表明，相同雷诺数时微重力条件下相变材料的熔化速度相比于有重力条件下的较慢，不同雷诺数时微重力条件下的熔化速度比有重力条件下的熔化速度分别减小了82.7%,86.1%,90.1%。但在微重力条件下，增大雷诺数已不足以有效提升相变材料的熔化速度。与无肋片管相比，经拓扑优化所得肋片模型的强化换热效果明显，在微重力条件下其相变材料熔化时间相比于无肋片管熔化时间缩短了47.83%，表明所设计的拓扑优化肋片模型可有效地减小微重力对蓄/放热速率的影响。     

散射作用下粒径对激光烧结的影响

采用二维双温度模型对激光烧结过程中的相变传热特性进行了模拟研究,重点讨论了颗粒粒径对烧结过程的影响,在此过程中考虑了散射效应的作用。通过将界面能量平衡方程、成核动力学的界面追踪法相耦合来确定固-液界面的位置。结果表明:当激光垂直照射金颗粒时,熔化现象主要发生在颗粒的两极且底部熔化开始时间早,熔化体积也比较小。颗粒粒径的变化主要影响表面光强分布与传热尺寸两个方面,在激光照射阶段由于散射效应,粒径增加会使颗粒底部光强变强,底部温度升高;在激光照射结束以后,粒径越大,单位光照表面下的传热体积也越大,这导致大粒径颗粒的温度、熔化程度较低,底部温度下降速度更快。     

超快激光切割金属材料中快速相变的数值模拟

采用二维双温度模型对多脉冲激光照射金薄板的相变传热情况进行研究，通过等效比热容方法确定固液界面的位置并研究了激光参数对传热过程的影响。结果表明，当激光垂直照射金薄板时，表面整体温度不断上升，而在脉冲间隔时间内略有下降，但温度的峰值相比激光作用的中心有延迟。随着激光的移动，激光照射点处的温度会出现一个峰值，之后会回落。激光作用时间内热影响区的横向变化比纵向大，移动光源向内部的热传递占主要作用，脉冲间隔时间内，热影响区的纵向变化比横向大，金薄板内部导热占主要作用。随着激光的照射，熔化状态横向不断增加的同时，熔化的深度也在不断增加。提高入射脉冲激光能量，会导致熔化的时间提前且熔化深度增加。     

自转塑料螺旋齿管自动清洗及传热强化技术

针对数量最多的低流速传热设备的污垢问题 ,研究了具有自动清洗和传热强化双重功能的塑料螺旋齿管自动清洗新技术 ,运用质点系动量矩原理对其结构设计原则进行了理论分析 ,并且设计了三种不同结构的螺旋齿管。试验研究结果为 :内管直径较大为好 ,螺旋角常存在一个最小值。与自转清洗的塑料螺旋扭带相比 :2 0 60型螺旋齿管的自动清洗力矩增大 141% ,传热系数平均提高 5 0 %左右 ,流体阻力仍在工程应用的一般范围内。因此 ,该技术可以用于 0 2 5m/s以上的低流速传热设备的自动清洗防垢和传热强化 ,具有很高的推广应用价值     

The "Point" and "Volume" Fusion Behaviour of Prefused Type Powder Fluxes''''

The relationship among particle size, properties of heat transfer and melting rate of fluxes as well as the main factors which have effect on the prefused fluxes have been studied. Under the conditions of same components and particle size, the melting temperature of prefused fluxes is lower than that of mixed fluxes. With the decreasing of particle size, the difference of melting temperature between the two type of fluxes decreases also. The larger the particle size, the greater the melting rate of prefused type fluxes.     

基于分形的多孔介质复合相变材料的储热特性

本文利用膨胀石墨和纳米颗粒来强化相变储热系统的传热性能。在膨胀石墨基体中填充含纳米颗粒的相变材料,用焓-孔隙度法模拟材料的相变过程。针对不规则的膨胀石墨孔隙结构,用三维W-M分形函数修正膨胀石墨孔隙率波动,以研究不同的孔隙率和有效导热系数比对固态显热蓄热阶段相变材料熔融速率的影响。在液态显热蓄热阶段时探讨膨胀石墨孔隙率以及纳米颗粒体积分数对相变储热系统中对流传热的影响。研究结果表明,分形分布的孔隙结构能有效地抑制纳米颗粒的自由运动从而降低了纳米颗粒的局部团聚的可能性,所以利用三维W-M分形函数修正的膨胀石墨比采用平均孔隙率能更好地模拟相变材料的熔融速率。在固态显热蓄热阶段,膨胀石墨孔隙率为0.8的相变材料熔融速率比孔隙率为0.85和0.9显著增加,另外,膨胀石墨与纳米颗粒-相变材料的有效导热系数比为100的熔融速率也明显比有效导热系数比为80和60的快。当相变材料处于液态显热蓄热阶段时,其在膨胀石墨孔隙中产生对流,对流传热速率随着膨胀石墨的孔隙率增大而增大,纳米颗粒体积分数的增加也会提高对流传热速率。     

Experimental study on convective heat transfer in tube-side of water jacket-tube heat exchanger by electrohydrodynamics effect

The electrohydrodynamics (EHD) enhancement of convection heat transfer of water in a jacket tube heat exchanger was studied through an experimental method in this paper. In the experiment,a DC high voltage electrode was set in the central tube-side of the heat exchanger,and the high voltage electrode in the tube-side was adjustable in the range of 0-40 kV. Five differ-ent combinations of heat transfer enhancement experiments were conducted under the different voltage and rate of flow. The results indicate that the maximal enhancement coefficient θ is 1.224 when the flow rate of tube-side inlet is 0.1 m3/h. It is proved that,for the work medium of water,the convective heat transfer can be enhanced by applying high electric field. The performance of EHD-enhanced is sensitive to the variation of flow rate,and in the same flow rate,there exist an optimized voltage in the EHD-enhanced process ra-ther than the monotonic positive-correlation relationship.     

自然对流对方腔内相变石蜡熔化蓄热的影响

相对于传统材料,基于潜热储能的相变材料具有更高的储热效率。为了研究方腔内相变材料的蓄热机理,基于Boussinesq假设修正满足于相变过程的动量方程,并建立底边加热下相变材料熔化蓄热的流-固-热三场耦合计算模型。采用有机相变石蜡材料,开展底部恒定温度下的石蜡熔化蓄热试验,验证计算模型的正确性。结果表明,整个相变石蜡熔化过程是由热传导和自然对流传热两者共同主导的。在熔化初期,熔化前缘基本与加热面平行,热量传输主要由热传导提供。当液相层厚度大于2mm后,自然对流传热效应逐渐被激活,加速熔化速率,并形成不规则的融化前缘。根据熔化前缘与液相流动特征,可将整个熔化过程分为热传导、稳定增长、过渡及紊流四个阶段。此外,液相自然对流传热对相变石蜡的熔化蓄热效率提升存在显著的尺寸效应,并随方腔尺寸增加而加剧。当方腔尺寸小于2mm时,自然对流的提升效率不足1%,此时可忽略不计。     

强化流动沸腾换热机理的研究

流动沸腾的强化在各种高效换热元件中起着愈来愈重要的作用。本文依据前人对管内流动沸腾强化换热实验的部分数据，对强化机理、效果和方法进行了研究。结果表明，某一换热强化方法的有效性与换热方式有关，即与换热方式是对流机制还是核沸腾机制占主导地位有关，并初步给出了两种机制分类的可能性判据。     

场协同原理强化管外降膜吸收传热特性实验研究

对基于场协同原理设计的两种强化传热管型进行了LiBr降膜吸收水蒸气过程的传热实验研究,并与光滑铜管作比较,考查该传热管型在吸收过程中的强化作用.实验测量参数包括;溶液进出口温度、浓度,流量,冷却水进出口温度、流量等.实验结果表明,两种强化传热管型在低雷诺数时对LiBr降膜吸收传热的强化比分别为20%和50%,而且随着雷诺数的增大而增大.利用场协同理论和降液膜流动的波动特性分析了强化降膜吸收过程传热特性的物理机制,发现速度矢量与温度梯度的夹角及降液膜厚度形成的阻力对对流换热有一定影响.