通道结构强化微通道流动沸腾流动与传热

开展了R134a/R245fa非共沸混合工质及其纯组分工质在不同通道结构的平行微通道内流动沸腾特性的探索性工作.提出了具有内部连通区域的分隔型微通道结构,重点探讨了通道结构对流动沸腾传热特性与压降特性的影响.研究结果表明,与连续型微通道相比,纯组分工质在分隔型微通道中的流动沸腾传热效果略有增强,但非共沸混合工质却略有减弱.无论纯组分工质还是非共沸混合工质,分隔型微通道内部连通区域的存在对于延迟传热恶化的出现、提高流动沸腾CHF均有所帮助.此外,分隔型微通道可以显著降低非共沸混合工质及其纯组分工质流动沸腾过程中的压降,且工质的液-气密度比越小,内部连通区域对压降的改善效果越明显.     

金属泡沫复合微肋微通道热沉的流动传热特性分析

构建了一种金属泡沫和固体微肋相结合的复合微肋微通道热沉(combined fin heat sink, CFHS),采用扩展型达西模型和局部非热平衡传热模型数值研究了复合微肋微通道热沉的流动与传热特性,结合热阻网络分析了复合微肋结构的传热规律,并对复合微肋热沉的综合换热能效进行了评价.结果表明,与传统固体微肋结构相比,复合微肋结构可显著提升微通道热沉的换热性能;金属泡沫厚度和孔隙率是影响换热性能的主要因素,存在最佳金属泡沫临界填充厚度以及最佳孔隙率参数设置.相对于传统固体微肋热沉,本文研究的复合微肋热沉热阻降低了约56%,综合换热能效提升了约1.32倍,金属泡沫最佳孔隙率及临界无量纲厚度分别为0.9和0.3.本文相关研究成果可为开发高效的电子设备冷却装置提供理论指导.     

气体微通道流动的传递特性

采用微观的拟颗粒模型研究了努森数在0.01~0.20范围内气体微通道流动的速度和温度分布. 发现速度分布主要受努森数和所加外场力的影响, 随努森数增加, 壁面滑移速度先增后降, 而温度分布也受外力场的显著影响. 达西(Darcy)摩擦因子随努森数增大而增大, 而它随马赫数的变化与所谓层流向湍流转捩提前的趋势相似.     

基于微丝的PDMS微流动通道制作技术

微流动通道是微流控芯片的重要组成部分, 其加工技术的每一步进化或简化一直为国际学术界与工业界所重视. 提出了一种基于微丝的PDMS微流动通道制作技术. 该技术利用一些简单的模具辅助固定和布置微丝, 然后将PDMS预聚物浇注于模具中浸没微丝并固化, 固化后抽出微丝形成PDMS微通道或通道阵列, 在与通道垂直的方向上打孔并封装, 形成与通道外部物质交换的接口. 实际制作通道时可采用商用化的金属微丝(如不锈钢微丝), 直径从100~20 μm不等. 较为详细地介绍了利用这种技术来构建多种拓扑结构的二维或三维通道或通道阵列, 例如直通道、交叉通道、弯曲通道等的能力. 进一步, 基于金属微丝的电磁特性, 这样的微通道制作工艺还被应用来构建出适于电磁控制和温度控制的微流动通道装置. 最后, 通过圆截面微通道的光路分析、微通道内粒子流动的图像测速(Micro-PIV)与微液滴形成实验及分析进一步印证了这种微流动通道制作技术的可行性和适用性.     

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.     

微纳通道中牛顿流体毛细流动的研究进展

毛细流动广泛存在于自然科学与工程技术等诸多领域,微纳通道中毛细流动近年来在微纳机电系统、生物医学、环境监测、石油开采、多孔介质渗流等领域获得了广泛应用.描述宏观牛顿流体毛细流动过程的是Lucas-Washburn(LW)模型,该模型在微纳通道中的适用性还没有定论,因而受到国际学术界关注.本文从理论模型、数值模拟和实验研究3个方面综述了微纳通道中牛顿流体毛细流动的研究进展,已有的研究表明需要对毛细流动进行分区讨论:(1)惯性力作用区,流动距离与时间t成正比;(2)黏性力-惯性力作用区,惯性力、毛细力、黏性力均对流动有影响;(3)黏性力作用区,黏性力与毛细力平衡,流动距离与t~(1/2)成正比;(4)竖直管道中还需要考虑重力的影响,存在黏性力-重力作用区.在黏性力作用区,LW模型仍然可以定性描述微纳通道中毛细流动过程,但需要引入动态接触角、气泡、电黏性等影响因素的修正.最后针对目前实验研究中存在的一些问题,总结有待深入研究的方向.另外,本文也对非牛顿流体毛细流动的研究做了简单介绍和展望.     

微细窄通道内纳米线表面的过冷沸腾流动与传热特性

微/纳米结构表面对流动沸腾过程有着显著影响,被应用于高热流的设备散热中.为了进一步探究其物理规律,以去离子水为工质,配合高速摄像观测,研究了截面为0.5 mm×5 mm的矩形微细窄通道内纳米线表面的竖直流动过冷沸腾.一种TiC纳米线的直径约230 nm,高度约4μm;另一种直径约535 nm,高度约12μm.过冷沸腾的质量流量是200和300 kg/(m²s),过冷度为10 K,热流密度范围是20～200 kW/m².分析了不同工况下过冷沸腾的沸腾曲线、平均换热系数和两相流流型.研究发现, 4μm高度纳米线表面的两相换热系数更高,但高热流条件下传热恶化更早. 4μm高度纳米线表面形成了"形成拉长气泡——气泡上下游扩张——局部干涸——流体重新润湿"的周期性两相流型,而12μm高度纳米线表面的流型在高热流下仍以气泡聚合以及形成受限拉长气泡向下游扩张为主.     

基于电池热管理系统的微通道热管阵列的传热性能

温度是影响动力电池性能的关键因素.高效热管理技术可有效控制动力电池温度和温差.本研究采用微通道热管阵列作为电池热管理系统的热传导元件,分析了其在高热功率密度下的传热性能,理论计算了其等效导热系数,优化分析了其槽道尺寸对流动传热的影响,对比了其与主流散热技术的性能差异.研究发现,热功率密度为0.3658 W cm^-2时,强制风冷散热条件下,采用微通道热管阵列技术可维持热源处表面温度45℃以下,温差1.3℃以下,低于无微通道热管阵列导热情况下的温升15℃,温差3.8℃.随着热功率密度增大至0.9176 W cm^-2,微通道热管阵列的等效导热系数增大为6027 W m^-1K^-1,其热源处表面最大瞬态温差约2.75℃.增大槽道尺寸参数可进一步改善微通道热管阵列的导热系数,改善其传热性能,但对液体回流驱动力有一定影响.该阵列具有较好的动态工况热稳定性和低温快速加热能力.与烧结热管组的温度性能相比,微通道热管阵列组最大温度可降低15.1℃,表面温差降低14℃,具有显著降温和均温优势,表明微通道热管阵列在动力电池...     

端部圆角结构提升带针肋微通道热沉均温性

布设针肋的微通道因其具有较高的强化传热传质效率而得到了广泛应用,但针肋背风侧端部存在的局部高温区域和整体较差的均温性将会提升换热表面的温度梯度,产生额外扩展热阻,将在很大程度上影响系统的调制响应,以及设备的经济性和可靠性.为解决上述问题,本文提出了采用端部圆角结构改进带针肋微通道热沉均温性的研究思路,并详细分析了其周期性层流流动换热性特性,由结果可见,Re=0~120时该新型针肋强化了微通道内的展向和法向二次流,提升了外侧换热面和针肋表面的均温性,有效消除了针肋背风侧端部的局部高温区域,并且随着圆角半径的增加,上述效应逐渐增强,通道努塞尔数最大增加了16.93%;而与传统带针肋微通道热沉相比,该新型微通道的阻力系数并未明显增加,因此,通道综合热性能系数最大增加了16.22%.此外,随着Re数继续增加,圆角结构对通道换热性能的影响逐渐减弱.     

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.     

润湿性对水在微管和岩芯中流动特性的影响

实验研究了去离子水在内径为14.9, 5.03, 2.05 μm的亲水和憎水微圆管中的流动特性. 结果表明, 去离子水在14.9 μm微管中的流动特性与经典Hagen-Poiseuille(H-P)方程相符; 但随着管径的减小, 去离子水在亲水和憎水微管中的流动特性均偏离经典理论, 其偏离程度受管壁润湿性的显著影响, 并随着雷诺数的减小而增加. 同时, 流体在岩芯中的渗流是其在无数微米量级孔喉中流动的宏观表现, 润湿性对孔喉中微尺度流动的影响将导致岩芯渗流特性的变化. 因此, 研究了盐水在不同润湿性岩芯中的流动, 发现润湿性对岩芯渗流和微尺度流动的影响规律相似.     

纳米颗粒表面活性剂对T型微通道中液滴分裂的影响

液滴分裂是微通道中获得单分散小尺寸液滴的重要方法,纳米颗粒表面活性剂能够包裹液滴,是制备功能胶囊的潜在技术手段,研究纳米颗粒表面活性剂作用下的液滴分裂行为对于获得尺寸更小、分散性更好的功能液滴具有重要意义.本文通过微流体可视化实验和理论分析方法,研究纳米颗粒表面活性剂对液滴分裂的影响规律.在纳米颗粒表面活性剂作用下,液滴分裂存在阻塞分裂、过渡态分裂、非阻塞分裂、不分裂4种状态;通过分析液滴颈部宽度随时间的变化关系,得出纳米颗粒表面活性剂对液滴分裂的影响机理,即通过降低界面张力影响挤压颈缩速率;通过分析基于液滴尺寸与毛细数的液滴分裂状态分布相图,建立了液滴阻塞分裂与非阻塞分裂的临界转化理论模型.