潜热型功能热流体在微小管道内的换热特性

针对现代电子器件的散热需求,采用潜热型功能热流体为工作介质进行实验,并搭建流动换热实验台,研究5%、10%和15%质量分数下潜热型功能热流体与去离子水在微小圆形管道内的换热特性,结果表明,在雷诺数Re为300~1000范围内,潜热型功能热流体均表现出比水更好的冷却性能及更低的壁面温度,在实验测试范围内,相变引起的壁面温度降低率最大可达26.8%;潜热型功能热流体平均Nu随着流动Re数的增加而增加,并通过对实验数据分析,拟合了平均Nu数与流动Re数、质量浓度和流体Pr数的经验公式,最大偏差不超过7.5%,可以较好反应潜热型功能热流体的换热特性;潜热型功能热流体沿着管道长度方向的强化换热比与潜热型功能热流体浓度及流动Re数有关,存在强化换热的最佳长度。     

Lightnin静态混合器内纳米流体湍流传热特性分析

静态混合器作为一种高效传热传质连续流强化设备,在化工过程强化技术中具有明显技术特色。由于缺乏纳米流体的物性对Lightnin静态混合器（LSM）内传热特性影响的研究,一定程度上制约了LSM强化传热应用的进一步推广。本文采用混合多相流模型和SST k-ω湍流模型,在Re=8000~28000和恒热流密度条件下,从熵产以及速度场与温度场的协同性等方面分析纳米颗粒的体积分数、种类及粒径大小对LSM内传热特性的影响。结果表明,随着Cu纳米颗粒体积分数的增加,纳米流体的综合传热性能及温度场与速度场的协同性能逐渐增强,总熵产率和Be数逐渐减小,体积分数为0.5%~2.0%的Cu-H₂O的纳米流体在Re=8000~28000范围内的综合传热性能系数（PEC）分别达到2.16~2.25、3.16~3.25、3.94~4.15及4.64~5.16。Cu-H₂O、Al₂O₃-H₂O及CuO-H₂O这3种纳米流体相比,Cu-H₂O纳米流体的强化传热性能要远好于其他两种纳米流体,Al₂O₃-H₂O及CuO-H₂O纳米流体的平均PEC分别是Cu-H₂O纳米流体的0.47倍和0.46倍。随着Cu纳米颗粒粒径的增加,纳米流体的综合传热性能和温度场与速度场的协同性能逐渐减弱,总熵产率和Be数逐渐增加。     

纳米流体在芯片微通道中的流动与换热特性

对去离子水及体积分数分别为0.15%和0.26%的水基γ-Al₂O₃纳米流体在当量直径为194.5 μm的硅基梯形芯片微通道内的层流流动和换热特性进行了实验研究。考察了Reynolds数、Prandtl数以及体积分数对流动换热的影响。结果发现,使用纳米流体后,压降无明显增加,纳米流体的流动阻力特性与去离子水基本相同;对流换热Nusselt数较去离子水有明显提高,且随着体积分数的增加而增加;相同泵功下换热热阻显著下降。实验还发现纳米流体的强化传热效果在较高温度时更加明显。根据实验数据得到了梯形硅微通道内低浓度纳米流体的层流对流换热关联式。研究结果对于集成高效芯片散热系统设计具有重要意义。     

水-乙二醇基γ-Al2O3纳米流体的制备及其性能研究

以水-乙二醇为基液,通过两步法制备了质量分数为0.1%的γ-Al₂O₃纳米流体。考察了乙二醇体积分数、分散剂质量分数及种类、超声时间对纳米流体稳定性的影响。结果表明,乙二醇体积分数为35%时更适用于水-乙二醇基纳米流体的制备;质量分数为0.2%的阿拉伯树胶(GA)可有效提高γ-Al₂O₃纳米颗粒在水-乙二醇基液中的分散稳定性;超声30 min即可改善纳米流体的稳定性。最后评价了纳米流体的热物性,当与基液水浴加热到60℃时,水-乙二醇基γ-Al₂O₃纳米流体的导热性能提升幅度最大,为基液的1.35倍;在20～60℃加热过程中,Al₂O₃乙二醇基纳米流体黏度最低达0.97 mPa·s,所制备的纳米流体可适合用于流动换热。     

自由摆动方柱强化微流体通道内传热传质

提出了一种基于自由摆动方柱提高微流体通道内传热传质效率的新方法。基于有限体积法并结合动网格技术，对微通道内液体流经自由摆动方柱（有旋转自由度、无平移自由度）时产生的扰流及强化传热传质现象进行了数值研究。研究显示，在低雷诺数（Re=10）下，自由摆动方柱几乎无运动，其对流动和传热传质的影响同固定方柱类似；随着雷诺数的增加，自由摆动方柱在流场作用下会自发产生周期性摆动，并在较低雷诺数（Re=50）下提前促使其后方产生交替性的涡脱落现象；随着雷诺数进一步增加（Re=100），方柱的自由摆动及其后方的涡街结构均显著增强。与同Re数下的固定方柱相比，自由摆动方柱能够更显著地扰动微通道内原有的泊肃叶流场，破坏通道内壁面处热边界层，提高其传热效率；同时通道内液体的横向流动可有效促进溶质混合，强化传质进程。当Re=100时，自由摆动方柱微通道内的平均换热努塞尔数Nu较固定方柱和无方柱时分别提高了17.5%和29.6%；同时，出口截面混合效率可较固定方柱和无方柱时分别提高了70.5%和65500%。     

CuO-Al2O3/H2O纳米流体池沸腾传热实验及分析

为探究纳米流体池内沸腾换热特性及其影响因素,利用"两步法"制备了体积分数为0.001%—0.1%的Al_2O_3/H_2O、CuO/H_2O纳米流体以及CuO-Al_2O_3/H_2O混合颗粒纳米流体,并进行池内沸腾换热实验。结果表明:测试的体积分数范围内,纳米流体沸腾换热系数随体积分数的增大而增大,起始沸腾过热度随体积分数的增大而降低,纳米流体的传热强化率随热流密度的增大而减小。实验中,混合纳米流体的传热性能始终优于去离子水和单一颗粒的纳米流体,Al_2O_3、CuO及两者的混合纳米流体沸腾传热系数增强率最高分别达到178.2%,213.2%和253.2%。纳米颗粒的加入对沸腾传热有强化和恶化两方面的作用,在实验的不同阶段,传热效果好坏是热导率、颗粒沉积等共同作用的结果。     

高热流低流速条件下超临界CO2在小圆管内的对流传热特性

为获取高热流、低流速条件下超临界CO₂的传热规律，开展了超临界CO₂在内径2 mm水平小圆管内对流传热试验研究，并重点探讨了变物性、浮升力和热加速等效应对传热过程的影响。试验参数范围：系统压力7.6~8.4 MPa，质量流速400~500 kg/(m²?s)，热通量0~200 kW/m²，流体温度20~60℃，Reynolds数1.2×10⁴~4.3×10⁴。分别采用Gr/Re ²和Kv作为浮升力效应和热加速效应的判别因子。结果显示，在高热流低流速工况下，浮升力效应显著（Gr/Re ² > 10^-3），同一个截面处的上壁面传热系数始终小于下壁面传热系数。浮升力效应是高热流低流速工况下传热恶化的主要诱发因素。试验中热加速因子较小（Kv < 8.5×10^-7），其效应可以忽略。将试验数据与典型的传热经验关联式作对比，结果表明Liao-Zhao关联式的计算结果与试验结果最吻合。     

方肋微通道内流动沸腾的气泡动态与传热特性分析

为揭示方肋微通道热沉内流动沸腾的传热传质机理,本文基于耦合VOF方法与“饱和界面”相变模型对微通道内单个气泡绕流加热方肋的传热传质过程进行了数值研究。通过分析该过程中气泡增长速率与方肋壁面传热系数的变化,重点讨论了初始气泡体积和入口雷诺数Re对相变传热效率和流动结构的影响。结果表明：在气泡流经加热方肋过程中,气泡与方肋表面之间形成一层薄液膜,该薄液膜的相变蒸发极大强化方肋表面的换热效果,换热系数较相同条件下的单相流动提升6倍以上。此外液膜厚度随Re增大而变厚,液膜热阻相应增大,液膜蒸发对换热的促进作用随Re增大而降低。最后考察了气泡体积对方肋壁面换热的影响,结果表明：初始体积大的气泡具有更薄的液膜厚度及更大的蒸发面积,表现出更高的相变传热效率;而小气泡对壁面温度影响较小。     

内插不同形状涡产生器管内层流流动与传热特性的对比分析

内插扰流元件是一种可操作性强的管内强化传热方式,其强化传热机理主要是在管内诱导产生了二次流。在均匀壁温热边界条件下,对内插不同形状涡产生器管内层流流动与传热特性进行了数值分析。研究发现：在扭带基础上裁去部分面积相同的条件下,管内插等腰梯形涡产生器的换热能力最强,直角梯形涡产生器次之,矩形涡产生器的换热能力最差,管壁上的局部Nusselt数的峰值所在圆周位置及其大小与涡产生器形状有关,而不同形状的涡产生器对管内流动的阻力系数影响较小。插入涡产生器后,管内二次流强度参数Se和平均Nusselt数Nu均随Reynolds数Re的增大而增大,二者随Reynolds数Re的变化规律具有一致性。平均Nusselt数Nu与二次流强度参数Se呈幂函数相关,内插涡产生器管内的二次流强度决定了其对流换热强度。     

δ-Al2O3-R141b纳米流体的池内核态沸腾传热特性

对δ-Al₂O₃-R141b纳米流体在0.1 MPa系统压力下进行了池内沸腾传热性能测试。沸腾表面为2000^#砂纸打磨的光滑紫铜表面,沸腾热通量为30～130 kW·m^-2,纳米流体的体积浓度为0.1%、0.01%、0.001%。实验表明纳米流体强化了沸腾传热特性,且强化倍数随着纳米流体浓度的增加而增大。体积浓度为0.1%时,沸腾传热系数比基液增大了50.2%。分析认为表面颗粒沉积是强化换热的主要因素,而接触角的变化在此可以忽略。与Rohsenow关联式相比较,纯液体和较低浓度的纳米流体的实验数据与关联式吻合较好,相对误差最大不超过13%,高浓度时吻合较差关联式不再适用。     

Natural convection heat transfer enhancement of different nanofluids by adding dimple fins on a vertical channel wall

In this numerical study, natural flow and heat transfer of nanofluids with Al_2O_3, TiO_2, Cu and CNT nanoparticles in a vertical channel with dimpled fins at Rayleigh number(Ra) of Ra = 3.25 × 10~7 to Ra = 1 × 10~8 are investigated by using the finite volume method. The obtained results revealed that, using CNT in volume fractions of 2% and 4%leads to significant heat transfer and at φ = 6%, using TiO_2 nanoparticles has a great effect on Nu number enhancement. Also, using solid nanoparticles in base fluid causes more uniform heat transfer distribution,especially in areas close to heated surface and by adding more volume fraction in base fluid, temperature level reduces. In general, according to temperature contours, reduction of wall temperature depends on the increase of Ra and volume fraction and the type of solid nanoparticles.     

相变套管式储热系统放冷性能实验研究

搭建了套管式相变储热实验系统,分别填充不同质量分数膨胀石墨与正十五烷制备而成的复合相变材料,对系统进行重复充放冷循环实验。采用有效储热比E_st和储能效率ε来表征系统性能,研究了复合相变材料中换热增强对套管式潜热储能系统放冷性能的影响。结果表明：同Re数下,相变材料热导率为0.14 W·m^-1·K^-1（工况A）放冷结束时间为1770 s,相同Re条件下热导率提升至7.10 W·m^-1·K^-1（工况B）和11.60 W·m^-1·K^-1（工况C）的结束时间分别可缩短77.3%、78.9%;热导率的增加可显著提高系统有效储热比E_st和储能效率ε,热导率从0.14 W·m^-1·K^-1增加到11.60 W·m^-1·K^-1,E_st在层流区、过渡区和湍流区分别可提升33.3%、350.0%及129.6%,ε分别可提升26.8%、52.9%及14.6%;Re的增加使得工况A和工况B中E_st和ε呈现下降趋势,工况C中E_st在Re=4298出现峰值1.62。     

CONJUGATE HEAT TRANSFER WITH TURBULENT FLOW IN A CIRCULAR TUBE

A steady heat transfer problem has been analyzed as a conjugate problem with turbulent flow in a circular tube. The three kinds of thermal boundary conditions considered here are specified as constant temperature, constant heat flux and constant heat transfer coefficient at the outer surface of the wall.

From the results of numerical calculation for Prandtl numbers in the range 0.01 ≤ Pr ≤ 10 and for Reynolds numbers in the range 10⁴ ≤ Re ≤ 10⁵, it was confirmed that the dimensionless parameter R_c could have significant effects on the heat transfer and the temperature field in the fluid adjacent to the wall.     

亲疏水性对泡沫金属池沸腾换热特性的影响

随着航空飞机和航天器不断向高性能发展,热控制系统的紧凑性和散热效率亟需提高。泡沫金属具有超大的比表面积和高热导率,在航空航天热控制领域具有良好的应用前景。对亲水性和疏水改性泡沫金属内的池沸腾换热特性进行了试验研究,并与未改性泡沫金属进行对比,得出了亲疏水性对不同孔密度和孔隙率泡沫金属池沸腾换热特性的影响规律。测试样件为泡沫铜,孔密度为5、20和40 PPI,孔隙率为85%和95%。结果表明,疏水改性可使泡沫金属内池沸腾的起始过热度降低20%～30%;疏水改性泡沫金属和亲水改性泡沫金属分别在低热通量（q<4×10⁵ W/m²）和高热通量（q≥4×10⁵ W/m²）条件下具有最佳的沸腾换热性能;表面改性对于低孔隙率泡沫金属内池沸腾强化换热效果更加显著,且亲水改性的强化效果优于疏水改性。     

CuO/H2O纳米流体的池沸腾传热及预测

通过络合-沉淀法合成氧化铜纳米颗粒,制备铜颗粒的直径在40～100 nm,晶型为正六面体。利用“两步法”制备水基氧化铜纳米流体。考察了不同质量分数纳米流体的热导率、接触角变化和加热表面颗粒沉积对核沸腾传热性能的影响,并利用可视化记录沸腾过程气泡行为。结果表明：在测试质量分数范围内,传热系数随热通量增加而增大,当质量分数达到0.1%时,强化率最大为146.1%。经过分析可知纳米流体的接触角度、热导率、颗粒沉积以及颗粒扰动对水基氧化铜纳米流体强化传热作用均有影响。通过高速摄像采集质量分数0.07%纳米流体沸腾过程验证结论的可靠性。并对纳米流体核沸腾传热过程建立气泡动力学经验模型,模型计算结果与实测值相对偏差在±10%以内。     

Kinetics of the water–gas shift reaction on Pt catalysts supported on alumina and ceria

We report the kinetic parameters for the water–gas shift (WGS) reaction on Pt catalysts supported on ceria and alumina under fuel reformer conditions for fuel cell applications (6.8% CO, 8.5% CO₂, 22% H₂O, 37.3% H₂, and 25.4% Ar) at a total pressure of 1 atm and in the temperature range of 180–345 °C. When ceria was used as a support, the turnover rate (TOR) for WGS was 30 times that on alumina supported Pt catalysts. The overall WGS reaction rate (r) on Pt/alumina catalysts as a function of the forward rate (r_f) was found to be: r = r_f(1 − β), where r_f = k_f[CO]^0.1[H₂O]^1.0[CO₂]^−0.1[H₂]^−0.5, k_f is the forward rate constant, β = ([CO₂][H₂])/(K_eq[CO][H₂O]) is the approach to equilibrium, and K_eq is the equilibrium constant for the WGS reaction. The negative apparent reaction orders indicate inhibition of the forward rate by CO₂ and H₂. The surface is saturated with CO on Pt under reaction conditions as confirmed by diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy (DRIFTS). The small positive apparent reaction order for CO, in concert with the negative order for H₂ and the high CO coverage is explained by a decrease in the heat of adsorption as the CO coverage increases. Kinetic models based on redox-type mechanisms can explain the observed reaction kinetics and can qualitatively predict the changes in CO coverage observed in the DRIFTS study.     

己基乙二胺-TFS型质子化离子液体与水分子间氢键相互作用的研究

通过前期实验研究,己基乙二胺-三氟甲磺酸([HHex][TFS])型质子化离子液体(protic ionic liquid,PIL)的极性部位具有两个氨基,亲水性较强,能够与水混溶90%(质量)(H₂O/ PIL)以上。因此利用密度泛函理论(density functional theory,DFT),在M06-2X/6-311G(d,p)的水平下,对 [HHex][TFS]与H₂O分子间形成的氢键作用进行了研究。设计了[HHex][TFS]分别与nH₂O (n = 1, 2, 6) 相结合的构型,并得到了较稳定构型共8种(S1~S8),计算了其分子间的相互作用能(ΔE ₀ ^BSSE)、分子振动频率(Δν)、二阶微扰能、电子密度(ρ _c)以及Laplace值(?² ρ _c)。分析结果显示,[HHex][TFS]与水分子间形成了较强的氢键,[HHex][TFS]与H₂O结合数量增加,构型中氢键相互作用增强,即S4(n=1)＜S6(n=2)＜S8(n=6)。