热流逸效应下不同截面形状微通道的流导特性分析北大核心CSCD

热流逸真空泵利用其内部微通道结构产生的热流逸效应来工作,故其本身也存在流导。本文建立了几种典型截面形状长微通道和短微通道的流导计算模型,进而分析了流导随努森数、温差及微通道特征尺寸变化的规律。结果表明,微通道在过渡流区域的流导比在自由分子流区域的大2~4个数量级;短微通道的流导性能优异长微通道的;绝大多数情况下,截面形状的对称性越强则其流导性能越好;在自由分子流区域,截面形状对流导的影响不大,但在过渡流区域,不同截面形状的流导差异显著。可见,应尽可能将热流逸真空泵设计在过渡流区域工作,且应优先采用截面形状对称性强的短微通道结构,但需要综合考虑努森数、温差和微通道特征尺寸之间的相互协同与制约。     

热流逸效应的抽真空特性分析

热流逸效应可输送气体并产生压力差,可利用其抽真空。本文建立了描述热流逸效应及其抽真空泵送特性的数学模型,以空气为例探讨了气体流态(努森数)、微通道特征尺寸和径长比以及温差等参数对压力比、净质量流量、抽速和无量纲抽气时间的影响。结果表明,压力比、净质量流量、抽速和无量纲抽气时间均随温差的增大而增大,但过大的温差对提高流量不明显且使抽真空达到稳态过程变得相对缓慢,应根据实际条件确定适宜温差。净质量流量和抽速随努森数增大而减小,且在过渡流区域还受径长比的影响;压力比和无量纲抽气时间在过渡流区域随努森数增大而增大,但在自由分子流区域与努森数无关;故应根据实际需求权衡净质量流量与压力比以确定适宜的热流逸发生条件、并控制气体流态来调整抽气特性。     

努森压缩制冷系统的设计及性能分析

分别以氨、水、R290和R600a为工质设计了努森压缩制冷系统。系统结构尺寸受工质的分子直径和宏观物性影响,其中依靠微尺度热流逸效应工作的努森压缩机设计成由两个功能组组成并采用多级串联形式。根据努森压缩制冷系统的微观与宏观工作机制和系统构建方式建立了性能分析模型。努森压缩制冷系统的运行特性类似于压缩机转速可调的常规蒸气压缩制冷系统,其COP随室内温度升高(或环境温度降低)而增大、制冷量随室内温度升高(或环境温度降低)而减小。综合考虑系统结构、性能、成本等因素,水为工质的努森压缩制冷系统明显优于其它3种工质系统。若按一次能源效率计算,努森压缩制冷的COP与常规蒸气压缩制冷的相差不大,加之其具有可直接利用太阳能和余(废)热资源、且没有运动部件等优点,努森压缩制冷是一种具有发展前景和竞争力的新型制冷方式。     

微通道气体滑移流动的压力分布

针对微通道中发生滑移流动的气体提出了一种滑移边界条件,用一个关于克努森数（Knudsen）的函数取代了传统滑移边界条件中的克努森数.此函数满足两个必要条件,首先当克努森数较小时,它与克努森数同阶;其次当克努森数趋于无穷时,函数值趋于1.采用该滑移边界条件推导了微通道中气体滑移流动时的压力分布解析式,并与文献中报导的实验值进行了比较.由于压力分布以通道出口处的压力作为均一化的标准,故出口处的无量纲压力值为1,进而对推导出的压力分布公式进行了修正,由修正公式计算出的结果与实验结果吻合得更好.     

铟封接和硅硅键合技术制作微通道型固定流导元件

提出了一种制作微通道型固定流导元件的方法,即基于硅硅直接键合将刻蚀深度约为1μm的沟槽结构密封成微通道,利用铟熔融封接技术使其与金属法兰结合构成通道型固定流导组件,使用氦质谱检漏仪对其漏率测试。测量结果表明,固定流导元件的流导测量值与理论计算值接近,相对误差不超过22.2%。氦气作为测量气体时,固定流导元件能够从高真空到30000 Pa压强下实现分子流状态,即流导恒定。     

关于计算传输几率α的一些问题

流导法广泛用于真空系统的设计和分析以及计算分子流通过真空元件的流导。流导法是基于与电路类比的基础上发展起来的。不幸的是,却带来了某些混乱和误解。这是因为分子流与电流本质不同,因此由流导法得到的某些公式,例如流导的串联公式、短管公式以及肘管公式等,都存在一定问题。自从奥特莱(Oatley)创造性地把何氏系数的概念用于计算短管流导以来,引起了有关流导法的动摇,对于流导法的某些基本结论和解释逐步予以纠正。在分子流领域,传输几率法比流导法更本质、更基本,某些复杂形状的真空元件应用流导法无法计算,却可以应用传     

关于几何学平均自由程λ′的严格证明

本文对日本科学家富永五郎提出的几何学平均自由程公式λ＇=2R进行了严格的证明。分子流(克努曾数K,>1)气体沿半径天、轴线平行Z轴的圆导管流动时,每秒通过管截面的分子数为     

便携式分压力质谱计校准装置的性能测试研究

文章对新研制的便携式分压力质谱计校准装置的部分性能进行了测试。采用参考电离真空计测量了装置的极限真空度;对于流导值在10^-2 m³/s的圆孔型抽气流导元件,通过精确测量其直径和厚度的尺寸,采用公式计算得到分子流条件下的流导值;对于孔径在微米量级的进气流导元件,采用定容衰减压力的方法通过实验测量确定其流导值;采用同一真空计分别测量抽气流导元件两端的气体压力获得返流比。测试研究结果表明：装置的极限真空度为4.8×10^-7 Pa,抽气流导元件对N2的流导值为1.37×10^-2 m³/s,对N₂的返流比为0.193,两个进气流导元件对N₂的流导值分别为3.81×10^-6 m³/s、4.50×10^-8 m³/s,综合分析可得装置对N₂的校准范围为(4×10^-1～5×10^-6)Pa。     

微通道正弦型底面结构对局部流动和传热特性的影响

为研究微通道的正弦型底面结构对流动和传热性能的影响,设计了5种正弦型底面结构的微通道,并采用数值模拟方法研究其在不同雷诺数下通道内局部流动情况和传热性能。结果表明,正弦型微通道内存在二次流;正弦型微通道内局部压力、泊肃叶数、壁面温度和努塞尔数沿着流动方向都出现波动的趋势,但后两者较平缓。在所研究的雷诺数范围(230～1 060)内,正弦型微通道平均泊肃叶数随着雷诺数增大而增大;部分正弦型结构微通道在雷诺数不大于600时,平均努塞尔数略低于光滑通道,说明传热效果有所降低;在雷诺数大于600时,所有正弦型通道的平均努塞尔数大于光滑通道,表明传热效果较好。     

蒙特卡罗法计算分子流状态下真空管道的传输几率

采用蒙特卡罗法对分子流状态下真空管道的传输几率进行了计算。计算精度随着模拟分子数的增加而显著提高,对于圆柱管道,模拟分子数为1.0×109时误差在2.7×10-5以下。气体分子与管壁的平均碰撞次数与管道纵横比基本相等。分析了传输几率与管道内壁吸附性的关系,通过测量管道两端气压便可计算出管道的抽速。另外,对椭圆和矩形截面管道的流导也进行了计算。     

平行小通道直冷板传热特性实验研究

作为两相冷却技术的核心部件,直冷板的传热特性越来越受到关注。本文基于泵循环两相流实验系统,设计了一块平行 小通道直冷板,直冷板流道区域尺寸为140mm×50mm,包含21根通道,通道截面尺寸为1.5mm×15mm,通道间由0.5mm厚的肋片分隔。通过改变制冷剂进口温度,流量以及热流密度,分析平行小通道直冷板流道内部不同区域壁面温度及表面传热系数的变 化规律。结果表明,制冷剂热流密度0.5 W/cm2、进口温度15℃.质量流量150kg/h时,不同流道内壁面温度均沿流动方向呈单调 上升趋势;当制冷剂热流密度升至6W/cm2,壁面温度先升高后趋于稳定,中间流道的壁面温度均高于周边流道。在低热流密度 下,直冷板流道内部不同位置的表面传热系数沿流动方向基本不变;而在高热流密度下,流道出口处的表面传热系数呈现上升的趋 势,最大增幅为21%。与壁面温度相似,周边流道的表面传热系数高于中间流道,表面传热系数相差7%-24%。     

螺旋槽式牵引泵过渡流态抽气特性的直接蒙特卡洛模拟

为研究螺旋槽式牵引分子泵(DMP)过渡流态下的抽气特性,采用直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法对抽气通道内的流动规律进行了数值模拟.通过数值模拟,考察了抽气通道几何参数:入口、出口槽深,槽长,螺旋升角以及螺旋槽数量与泵抽气特性参数:传输几率的关系.模拟结果表明:增加抽气通道入口槽深可提高泵的抽速;出口槽深、螺旋倾角均存在最佳值,可获得大的抽速和压缩比;延长槽长、增加槽数对抽速影响不大,可以提高压缩比.本文的研究结果表明,直接模拟蒙特卡罗方法可以较好地模拟牵引分子泵三维抽气通道内过渡流态的流动特性,可用于优化设计抽气通道几何参数,提高牵引分子泵的抽气性能.     

螺杆真空泵单头等螺距螺杆转子的一种动平衡简便算法

针对无油螺杆真空泵单头等螺距转子的动平衡计算问题,本文基于前期研究方法,在研究原理和计算模型不变的条件下,给出了一种既满足转子动平衡条件又简单易行的设计计算方法。在铸造转子毛坯时,直接在转子毛坯两端端面上,向内预留出螺旋体形状的去除质量平衡孔;两侧平衡孔的几何形状完全相同,其螺旋导程与螺杆转子的导程相同,其截面面积和形心位置则与螺杆转子端面型线的截面面积和形心位置具有简单的定量关系,文章给出了这一定量关系的计算式和数据图表,可供直接查阅。由于计算中没有涉及转子端面型线的具体形状和尺寸,因此适合于任意形状端面型线和导程的螺杆转子。     

基于热阻网络模型的硅基微槽热沉多目标优化设计

微槽热沉具有传热效率高、可靠性强的优点,可用于对微尺度高热流密度电子元件进行冷却。为满足其性能需求和控制成本,在对微槽热沉进行设计时需要对其传热能力和流动阻力同时进行优化。传统研究采用的热阻网络模型较为简单,不能很好地反映热阻和流动阻力对微槽道截面形状拓扑变化的响应,且其优化对象通常为既定截面的形状尺寸。为此提出一种基于离散化方法的单层硅基微槽热沉热阻网络模型,将热沉鳍片细分为厚度较小的微元,根据微元热阻对微元宽度的响应及微元热阻对整体热阻的贡献来描述微槽道的整体热阻。以微泵输出功率为优化边界条件,压降和热阻为优化目标,通过SQP（sequential quadratic programming,序列二次规划）方法对层流状态下四边形等截面硅基微槽热沉进行尺寸优化,利用CFD（computational fluid dynamics,计算流体动力学）对优化结果进行模拟和验证。结果表明,当鳍片高度较低时,鳍片截面形状为矩形,随着鳍高增加,截面形状有向三角形发展的趋势。在设计区间内,微槽道截面为梯形、鳍片截面为三角形时传热效率与压降相对占优。用边界点法和理想点法优化模型求得微槽道高度、鳍底宽、槽底宽、槽顶宽的优化结果分别为500,50,64.5,114.5 μm和500,50,50,100 μm。该方法能根据设计需求调整评价函数,同时计算结果具有重要工程意义,为微槽热沉设计人员提供参考。     

多元平行流冷凝器传热流动性能研究

平行流冷凝器空气侧采用间断型扩展表面的波纹型百叶窗翅片,制冷剂侧采用小水力直径的非圆截面微通道多孔铝制扁管,选用适合于该微尺度强化换热结构的传热和压降关联式,对某规格的平行流冷凝器建立数学模型并在一定工况下进行数值模拟.结果分析表明,制冷剂在非圆截面微通道内的冷凝过程中,表面张力对表面传热系数的强化效果明显;通过改变流程数和各流程管数来改变冷凝过程中的流通截面而达到调整流速的作用,从而可以保持较高的冷凝换热系数和较低的流动压降,与常规换热器相比具有显著的优越性.     

两种不同工质在微通道内沸腾换热特性的实验研究

为研究流体物性、流动和换热过程的状态参量对微通道内沸腾换热特性的影响规律,本文采用去离子水和无水乙醇在当量直径为0.293 mm的矩形微通道进行了不同质量流量和热流密度条件下的沸腾换热实验研究,通过对实验数据的计算和处理,分析总结了流体的热物性、质量流量、热流密度、干度和Bo数等参量对沸腾换热系数的影响规律。结果表明:沸腾换热系数随着热流密度、干度和Bo数的增大而降低,核态沸腾占主导地位;相同的质量流量和热流密度条件下,去离子水的沸腾换热系数明显高于无水乙醇的沸腾换热系数,并且前者的换热系数随质量流量的增大而增大,而后者变化不明显。根据考虑了通道尺寸效应及流体物性参量总结出的换热系数关联式进行了计算,计算结果对去离子水和无水乙醇的平均绝对误差分别为14.2%和16.6%,可认为该关联式适用于微通道内沸腾换热系数的预测。     

水平微细圆管内R290流动沸腾流态可视化研究

本文对水平微细圆管内R290流动沸腾的流态进行了可视化研究，分析不同管径下流动沸腾换热主要流态形式及影响因素，基于理论流态图对比分析流态转变规律。实验工况：热流密度1～70 kW/m²,质量流率50～1 020 kg/(m²·s),饱和温度-10～25℃,管径1～3 mm,干度0～1。实验中共观察到8种R290微细通道内流动沸腾换热流态，其中间歇流和波状流为3 mm管的主要换热流态，弹状流和环状为1 mm管的主要换热流态；实测流态图中3 mm管的泡状流、混状流，2 mm管的泡状流，1 mm管的弹状流与D&W流态转变准则较为吻合，而2 mm管和1 mm管的离散流区域匹配性较差；管径的变化对流态有重要影响，随着管径的减小，气泡形状、流态形式、流态分布及流态转变曲线均发生变化，管径微尺度效应出现。     

事件触发式实验粒子蒙特卡洛方法模拟分子流真空系统的三维压力分布北大核心CSCD

从稀薄气体动力学理论出发,设计了直接模拟分子流真空系统内三维压力分布的事件触发式实验粒子蒙特卡洛方法。在算法设计中,不考虑分子间碰撞,以分子与固壁的碰撞为迭代触发点,模拟分子运动过程并通过统计分子与压力统计面的碰撞频率从而计算系统内的三维真空压力分布。详细介绍了算法思路和程序流程、放气率与泵抽速的数值离散过程,以及三维压力分布的统计方法。采用该程序模拟圆管两侧的压差与通过气体流量的关系,直接计算圆管流导并与克努森修正公式进行对比,验证了该方法模拟管道流导的误差小于4%。最后模拟了光阴极电子枪内的三维真空压力分布,分析了其内部复杂结构对真空压力分布的影响。     

事件触发式实验粒子蒙特卡洛方法模拟分子流真空系统的三维压力分布

从稀薄气体动力学理论出发,设计了直接模拟分子流真空系统内三维压力分布的事件触发式实验粒子蒙特卡洛方法。在算法设计中,不考虑分子间碰撞,以分子与固壁的碰撞为迭代触发点,模拟分子运动过程并通过统计分子与压力统计面的碰撞频率从而计算系统内的三维真空压力分布。详细介绍了算法思路和程序流程、放气率与泵抽速的数值离散过程,以及三维压力分布的统计方法。采用该程序模拟圆管两侧的压差与通过气体流量的关系,直接计算圆管流导并与克努森修正公式进行对比,验证了该方法模拟管道流导的误差小于4%。最后模拟了光阴极电子枪内的三维真空压力分布,分析了其内部复杂结构对真空压力分布的影响。     

射流式水冷散热器关键参数对性能影响的模拟研究

目前传统的风冷散热技术已无法满足高热流密度电子器件的散热需求,液冷散热技术已成为目前的研究热点。射流式水冷散热器作为液冷散热技术的一种,主要通过喷嘴将流体工质喷射到固体表面来达到散热目的。本文研究了射流式水冷散热的主要参数（喷射面积比、喷嘴数量、有无微通道）对散热器性能的影响,模拟结果表明：该散热器的最佳喷射面积比为0.14,此时散热器底板平均温度为55.8 ℃,压力损失为5.35 kPa,努塞尔数和传热系数分别为28.1和3.45 kW/ (m2·K) ;最佳的喷嘴数量为4,此时散热器底板平均温度最低,为51.4 ℃,压力损失为5.52 kPa,努塞尔数和传热系数达到最高值,分别为35.2和4.33 kW/ (m2·K),并有效的消除了局部热点;微通道的增加微通道的增加使散热器整体换热性能显著增强,平均温度降低 3 ~ 6 ℃ ,当喷嘴数量为 4 时,布置微通道可使努塞尔数由 35. 2 升至 43. 3,传热系数由 4. 33 kW/ (m2·K)增至 5. 32 kW/ (m2·K),但压力损失略微上升(约 升高 20~ 60 Pa)。