脉动热管可视化实验研究进展

脉动热管是一种结构简单、可用于微小空间、高热流密度条件下的传热元件。其优良的传热特性源于内部工质的蒸发、冷凝相变以及两相流动等热-水动力学特性。可视化实验是研究工质流动特性的常用方法,对于理解脉动热管的传热机理非常重要。本文介绍了5种可视化技术手段,简述了近二十年来脉动热管可视化实验观察到的气液相变和多种流型,分析了流型的影响因素,并总结了流动特性和传热性能之间的对应关系。指出目前可视化实验观察到的结果可以定性地解释一些传热现象,却难以定量地揭示脉动热管的传热规律。未来可以将可视化实验中测得的气液塞运动速度、液膜厚度和相分布等信息利用起来,考虑管壁材质的影响,建立更准确的气液两相流模型,用来设计、评估和预测脉动热管的性能。     

螺旋管内传热与流动性能的场协同分析

采用数值模拟的方法,分析了螺旋管内流体速度场和温度场的分布规律,研究了曲率和无量纲螺距对管内流体传热和流动性能的影响,以性能评价指标PEC(Performance Evaluation Criteria)为标准评价强化传热综合性能,并运用场协同理论对此进行了分析。结果表明:螺旋管内流体受二次流的影响,随着转角的增大,最大速度逐渐靠近外侧壁面,热量逐渐从管壁传递到管内核心区域;在相同雷诺数下,管内努塞尔数、摩擦系数和PEC均随曲率的增大而增大,而无量纲螺距对螺旋管传热和流动性能的影响则可以忽略不计;场协同理论可以很好地解释螺旋管结构参数对管内传热和流动性能的影响规律。     

小型叠板式换热器传热与流阻特性实验

研究了一种小型叠板式换热器,它由多块紫铜薄板叠合而成,薄板表面加工有2个分布腔和微通道阵列,微通道采用精密铣削加工.通过实验研究不同流速下微通道深度、分布腔形状以及换热器放置方式对传热、流阻和综合性能的影响.结果表明,传热体积是决定单位体积传热系数大小的首要因素,在传热体积相等情况下,单位体积换热面积是决定单位体积传热系数大小的主要因素.在3种影响因素中,微通道深度对换热性能影响较大,微通道深度为1 mm的换热器传热性能比深度为2 mm的提高了30%～60%;换热器放置方式对流阻和综合性能影响较大,换热器入口放置在下端时压力损失比放置在上端时下降约26%,综合性能则提高了约30%.     

平行流热管管内两相流动可视化实验研究

平行流热管换热器综合热管轴向高效换热和平行流换热器管外高效换热的优点,是一种新型的热管换热器。为了研究平行流热管工作机理及管内流动过程,搭建了平行流热管可视化实验台并对不同结构参数、不同加热功率和不同充注工质下的启动特性和传热传质规律进行了实验研究。实验结果表明：平行流热管工作机理复杂,并联管路内气柱和液柱在重力和不平衡压力的共同作用下进行互激振荡流动,并且管内出现泡状流、弹状流、环状流等多种流型,同时较高的加热功率和较大的管径会加剧工质在并联各管路之间的往复振荡,增加工质在蒸发段和冷凝段的扰动,提高热管的换热性能。     

微通道内传递对液液分散过程的影响规律

在同轴环管微通道中,采用水/正辛醇形成两相体系,利用硫酸向水中传质并释放热量以实现伴随传质传热的微分散过程,研究了两相流速、硫酸浓度对两相流型和液滴大小的影响规律。结果发现,传递会引发O/W/O新流型的产生和流型分布区域变化。探讨了传递强度对于分散液滴尺寸的影响,通过计算液滴脱落时的动态界面张力,分析了传质和传热对于液液微分散影响的大小。     

螺旋通道内流动沸腾传热研究进展

螺旋通道因其优越的传热性能在强化传热领域有着重要的应用。近年来，高热流密度下设备的散热问题严重制约着先进技术的高速发展，传统螺旋通道单相强化传热技术已难以满足如此高的散热要求。由此，学者们开始探索以螺旋通道和流动沸腾传热相结合的复合强化传热技术。但由于螺旋通道特有的结构导致管内工质会受离心力的影响产生二次流，使得流动沸腾的情况较直通道更复杂，因此许多学者研究螺旋通道流动沸腾传热得出的结论并不一致。本文主要综述了近年来常规和微细尺度螺旋通道内流动沸腾的研究进展，阐述和分析了质量流率、干度、压力等参数对螺旋通道传热系数及临界工况的影响。指出了实验工况及螺旋通道结构的不同可能是导致结果存在分歧的主要原因，重点归纳了研究者根据实验结果拟合得到的流动沸腾传热实验关联式，并对经典直通道及螺旋通道沸腾传热关联式用于预测螺旋通道沸腾传热系数时的优缺点给予评价，指出今后螺旋通道内流动沸腾流传热的研究方向。     

微/小通道内非牛顿流体多相流动与传热研究展望

概述了微/小尺度非牛顿流体多相流动与传热现象。在评述国内外已有文献的基础上,从实验研究与数值模拟二方面介绍了非牛顿流体管内多相流动与传热研究的现状、存在的问题。总结了微小通道内非牛顿流体多相流动与传热研究领域中若干值得探索的研究切入点,提出了若干值得探索的研究内容。讨论了非圆截面微通道试验器件的设计与加工、流动可视化与流型采集、流动参数测量、数值模拟等关键技术解决思路,给出了微/小通道内非牛顿流体的绝热气液二相流动可视化实验、流动沸腾传热及可视化实验设计方案,可为深入探索微/小尺度非牛顿流体管内多相流动与传热特性提供参考和借鉴。     

三角对翼和圆柱组合强化螺旋通道换热的数值研究

本文旨在研究三角对翼和柱形涡发生器组合后强化矩形螺旋通道内流体换热的特性。采用CFD模拟的方法分析了对翼攻角α、无量纲参数高度h_i'对螺旋通道内流体流动和换热的影响。结果表明:三角翼采用下降流型布置时,在柱后θ=10°的截面上二次流呈四涡结构,加速尾迹区与主流流体的混合,强化了传热;在所研究范围内,α增大,组合涡发生器强化传热效果先增大后减小,在攻角α=30°时强化传热效果最优;其它参数相同时,三角翼h_i'增大,螺旋通道的Nu和阻力系数f均增大,但综合因子G减小。     

基于多目标遗传算法的微通道结构优化

采用多目标遗传算法对圆形凹穴及内肋微通道进行结构优化,根据模拟结果由响应平面近似法构建热阻和泵功的目标函数,然后建立以微通道结构参数为变量的多目标遗传优化的数学模型。由非支配排序遗传算法NSGA-Ⅱ计算得到热阻及泵功的Pareto优化解集,用k-means聚类法对最优解集进行聚类得到4个代表性解,并用强化传热因子评价其综合传热性能。结果表明,热阻和泵功目标函数的多元统计系数R2分别为0.932 9和0.996 6,说明拟合的函数精确度高。采用优化后的通道结构(e1=0.036 8 mm,e2=0.019 3 mm)的温度场分布更均匀,综合传热性能更优(强化传热因子η=1.23)。当热阻较大或泵功较大时,其综合传热效果不如热阻及泵功较均匀时的工况。     

不同位置射流强化螺旋通道传热性能分析

为了进一步提高并更合理评价射流强化螺旋通道内流体换热的综合性能,改进了射流管的安装位置并提出新的强化传热评价指标。采用实验和数值模拟对比研究了在圆形截面螺旋通道的内侧壁面和外侧壁面分别施加射流的强化传热效果。数值模拟结果与实验测量结果吻合较好。基于相同质量流量,探究了射流入射角度α以及射流与主流质量流量比ε_jm对强化传热特性的影响。考虑射流带来的附加功耗增加,提出以热功系数比(hpc)为评价指标对比分析了综合强化传热效果。结果表明,在α=30°～80°、ε_jm=0.1～1.5的研究范围内,与外侧壁面施加的射流相比,内侧壁面施加的射流对流体扰动更强,传热增强效果更好,同时消耗总功耗更小。当ε_jm=0.5、α=60°时,射流对螺旋通道的综合强化传热效果最佳,内侧、外侧壁面射流下的hpc最高值分别为1.39和1.32。     

微小菱形离散肋通道中R134a的冷凝换热实验研究

建立了采用空气射流冲击冷却方法的冷凝换热实验系统,对R134a在铝质微小菱形离散肋通道中的冷凝换热特性进行了实验研究。实验工况范围为制冷剂干度0~1、饱和压力0.50~1.50 MPa、制冷剂质量流率160~380 kg/(m²·s)、热通量10.1~59.8 kW/m²。实验获得了不同工况下的通道局部冷凝传热系数,分析了干度、饱和压力、质量流率以及热通量对冷凝换热的影响规律。实验结果表明：局部冷凝传热系数随干度、质量流率和局部热通量的减小而减小,随饱和压力的降低而增大,其中在干度x>0.4的区域内质量流率对于冷凝传热系数的影响效果更为明显。基于实验数据,提出了一个适用于本实验中微小菱形离散肋通道的冷凝换热计算公式。     

换热器结构优化与换热性能评价指标研究

某运载器中冷却器存在若干问题：壳侧压力损失较大；采用的弓形折流板结构使得壳侧工质呈现出Z字形流动，在折流板后易形成流动死区，促使壳侧结垢，使得换热器总传热性能降低。提出了两种针对壳侧结构的强化换热设计方案。方案一为减少弓形折流板数量、增加折流板间距；方案二为采用螺旋折流板替换原有的弓形折流板。为验证文中采用的热力设计方法的准确性，根据文献中的实验结果针对弓形折流板和螺旋折流板管壳式换热器热力设计方法进行了验证，结果表明文中采用的热力设计方法得到的计算数据与实验结果的偏差在37%以内，满足工程设计需求。优化方案根据优化参数不同，其优化结果有所不同，基本存在以下规律：优化设计可使换热器管壳两侧总压降减小，但同时其换热性能也下降。因此，需要一个综合指标来进行评价。文中提出以换热量Q与换热器流动阻力引起功耗的比值作为综合性能评价指标。该指标表示换热系统克服换热器流动阻力消耗单位泵功下的换热量，其值越大，单位泵功下换热量越高，经济性越好。经过计算发现最优方案相对原始方案，综合评价指标提高了约22.2%。     

单侧加热方形通道内超临界水传热研究

数值模拟了辅助冷却剂超临界水在单侧加热方形通道中的流动传热特性,从边界层厚度与近壁区湍动能两方面阐述传热恶化产生和恢复的机理。研究了不同工况（压力、入口温度、热通量、质量流量、流动方向和管径）下超临界流体常用传热关联式的适用性,发现Fan关联式预测精度较高。采用PEC因子对不同强化传热结构（双通道和凹槽）进行评价,发现上下双通道PEC因子普遍小于1,综合强化换热效果不佳,而偏下游的非对称倒角凹槽结构PEC因子为1.13~1.51,不同工况下均为最大值。场协同原理分析也证明偏下游的非对称倒角凹槽结构具有最佳的综合换热性能。     

细小槽道换热器内相变微胶囊悬浮液对流传热DPM模拟

基于离散相模型,采用颗粒比热容随温度变化分段函数描述颗粒的相变过程,模拟了相变微胶囊悬浮液在细小槽道换热器内的对流传热特性,考察了不同入口流量时换热器进出口压差及温差的变化规律,并与纯水进行比较,分析了换热器内部及加热面温度分布,研究了换热器典型通道修正的局部努赛尔数Nux*沿流动方向的变化规律. 结果表明,相变微胶囊悬浮液在换热器内的压损随流量变化规律与纯水一致,较纯水有所增大;引入相变微胶囊颗粒减缓了加热面和流体温度升高的速率,使换热器出口及加热面的温度比纯水低;受进出口位置影响,换热器内温度呈现中间通道低、向两侧逐渐升高的分布规律. 不同通道的Nux*沿流动方向的变化规律存在一定差异,部分通道内相变材料完全融化,而部分通道内相变材料尚未完全融化就流出换热器. 需改进换热器进出口位置或对换热器内部结构进行优化设计以获得较好的流量分配特性,从而改善换热效果.     

两种烧结通道的沸腾传热和阻力特性对比

多孔材料对沸腾换热的强化是能源化工领域的重要主题。本文针对两种不同的烧结结构——并联微通道和扁平通道（仅有烧结底层）,以去离子水为工质,进行了过冷流动沸腾换热实验对比研究。研究发现：并联微通道的传热系数和临界热流密度远高于扁平通道,这和并联微通道优异的毛细供液性能相关。底厚粒径比对并联微通道的沸腾换热性能影响较大,过大的底厚粒径比会造成换热性能的下降。质量通量对小粒径样品的沸腾曲线和换热性能均影响较大,对大粒径（d=120μm）样品的沸腾曲线影响较小。烧结并联微通道的平均压降大于扁平通道。相同底厚下,平均压降随着微通道粒径的增大而增大。可视化观察表明：两种通道在中高热流密度流型不同,其主要相变机制均为薄液膜蒸发模式。     

三种内翅片管管内流动与换热特性

在恒热流边界条件下,对以空气为工质的分别带有3种不同纵向内翅片换热管的流动与换热特性进行了实验研究,实验管带有堵塞芯管.3种不同的纵向内翅片为：平直翅片、带有突起的翅片以及波纹形翅片.得出了所测参数范围内的换热与阻力的实验关系式.采用两种不同的标准对所测3根换热管的综合换热性能进行了评价,结果表明,带有波纹形内翅片的换热管在两种评价标准下均表现出了优异的综合换热性能.     

直插式垫条型缠绕管式换热器过程强化

为增强缠绕管式换热器的综合换热性能,本文提出一种沿径向安装于缠绕管式换热器芯筒内壁上的直插式垫条型内插件。通过数值模拟的手段,研究了直插式垫条型缠绕管式换热器的流动与换热性能。相比于传统结构,直插式垫条在固定管束相对位置的同时也可作为涡发生器,影响管束形成的尾流场,对管束边界层产生持续的扰动,增强缠绕管式换热器的综合换热性能。计算结果表明,在相同的进口工况下,直插式垫条型缠绕管式换热器壳侧努塞尔数相比于传统结构提高了13.01%～15.55%,压降升高了1.3%～4.3%,综合换热性能可提高7.4%~10.5%。并在此基础上研究了直插式垫条不同的排布方式对流动及换热性能的影响,在雷诺数5000～24000的工况条件下,直插式垫条对齐排方式的综合换热性能最优;在雷诺数24000～30000的工况条件下,直插式垫条交错排布的综合换热性能最优。     

三维槽道的周期性层流流动与传热

应用数值模拟方法分析了以周期性方式布置不同节距比(PR=L/H)、倾角为45°挡板槽道的流动特性与传热特性。挡板在槽道上下壁面对齐布置高度比(BR=b/H)为0.2,以便在槽道内部形成一对沿流向的反向旋涡。数值模拟计算Reynolds数范围为100~1000,流体介质为空气。计算结果表明:布置斜置挡板后,在槽道内诱导产生了沿流向的旋涡流,且在测试段中旋涡流冲击槽道上下壁面和槽道一侧壁面,结果使得传热效率提高;分析了范围内平均Nusselt数比Nu/Nu₀、摩擦系数比f/f₀及传热增强系数η随节距比PR和Reynolds数的变化关系,并建立了相应的准则关系式;当挡板间节距比为0.5时,传热增强系数可达最大值3.0。     

入口流速对间断微通道内流型演变及流量分配特性影响

微通道内气液两相流动规律是影响微通道换热器换热系数和流场温度均匀性的主要因素。以N2和H2O为工质，对间断、并联矩形微通道换热器内气液两相流型的起始、发展、稳定过程的演化以及并联通道内流量分配不均匀特性进行了数值模拟研究。结果表明，不同的进口Re对微通道内流型的演变过程和流动周期有重要影响，当进口Re为450时，气相工质在均流腔内以离散的散团状形态脉动扩散至微通道中，并联通道内气相工质从弹状流型态逐渐转变为泡状流型态；当进口Re增至为1600时，气相工质在均流腔内以较连续的椭圆状型态扩散至微通道中，并联通道内气相工质从环状流型态逐渐转变为泡状流型态。通道结构还将影响并联通道间的流量分配的均匀性，间断微腔的存在使微通道内工质质量流量分布均匀性提升38.7%，通过研究通道内压力分布规律，发现通道内静压的分布不均匀是导致两相工质从均流腔进入微通道时发生不均匀分配的重要原因。     

小尺度涡流发生器强化传热的数值模拟

采用数值模拟方法，对布置有不同高度小尺度涡流发生器的矩形槽道，在Re=4000～10000的范围内进行了模拟计算。结果表明，小尺度涡流发生器由于其高度的不同引起对流换热和压差的变化，分析了小尺度涡流发生器所诱导的流向涡和展向涡对强化传热影响的内在机理，并对所产生的涡旋对槽道中压力分布的变化进行了分析。采用一种综合考虑对流换热和流动阻力的评价标准对不同高度小尺度涡流发生器的传热和流阻特性进行对比评价。