分流式微通道热沉强化传热性能数值分析

分流式微通道热沉MMHS与一般的微通道热沉MHS相比具有更强的传热能力及散热均匀性, 在电子芯片等高发热设备冷却方面具有优势。该文通过数值方法模拟了MHS与MMHS单个肋通道内的换热过程, 对比分析了两者在总体换热能力及散热均匀性方面的差异。结果表明, 入口流量在0.57~2.87 kg/h范围时, MMHS微通道平均换热系数比MHS提高1倍以上, 同时散热均匀性提高52%以上; MMHS具有的多进口多出口的几何结构和流动过程是MMHS综合换热性能大幅提升的主要原因。     

面向热伏发电系统的紧凑式换热结构设计及性能分析

中低温地热温差材料热伏发电是世界性研究热点,其难点是如何提高热伏发电的热电转换效率。本文提出一种基于自相似结构（SSHS）的换热结构设计方案,可以大大减小一般热电转换系统换热结构的体积与重量,同时提高热电转换效率。以一个热端热沉的流动换热过程为例,利用数值计算方法对其换热和流动阻力特性进行了模拟和分析,并与两种传统换热结构进行了对比。计算结果表明：SSHS热沉具有更强的换热能力,换热均匀性更好,流量范围0.010 3～0.018 6 kg/s、热流密度2 W/cm²及进口热水温度100 ℃条件下,SSHS热沉的换热能力可达一般换热结构的2倍以上,换热面（释热面）温度高出5～10 K,温度分布均匀性提高了50%以上,进而有利于提高热电转换效率;此外,SSHS虽然相较传统结构有更大的流动阻力,但对于当前设计总流动阻力也不超过450 Pa,因此SSHS热沉非常适合用于模块化的热电直接转换系统。     

平行微细通道热沉流体均匀性及传热特性研究

通过数值模拟手段研究平行微细通道热沉内部速度场和温度场的均匀性,探究内部空间结构及流量等因素对微细通道热沉流动及传热特性的影响。结果表明,斜对角单进单出方式的微细通道热沉中间通道流量较小,两侧流量较大,随流量增大非均匀性现象愈加明显;在热沉进、出口联箱处增设导流构件可改善各通道流量分配的均匀性,但随流量增加改善效果不明显;各通道依次错位排列可使导流型热沉流量分配不均匀度最小。综合考虑压降和加热面平均温度,通过通道错位排列导流的热沉具有较低的压降及较低的热面平均温度,表现出良好的综合性能。     

印刷电路板换热器中S-CO2换热特性数值分析

为了探究超临界二氧化碳(S-CO2)在直通道印刷电路板换热器(PCHE)中换热特性,本文采用数值模拟方法对此问题进行了研究.计算分析了S-CO2在印刷电路板换热器中的换热特性,并对比了在单独改变一侧通道入口温度、工作压力及工质流量时对流换热系数和壁面努塞尔数的变化趋势.研究结果表明:由于工作压力不同,超临界二氧化碳工质存在从类液区向类气区过渡的情况,导致印刷电路板换热器换热通道入口温度或流量变化相同时对流换热系数和壁面努塞尔数呈现出不同的变化趋势.保持超临界二氧化碳工作压力和流量一定时改变冷侧入口温度比改变热侧入口温度对印刷电路板换热器热功率的影响更大;改变热通道的压力或流量要比改变冷通道的压力或流量对PCHE热功率的影响更大.     

超临界裂解煤油的并联通道流量分配特性研究

以周向热流分布极为不均匀的RBCC发动机为应用背景,采用经过校验的高精度数值仿真方法,基于超临界裂解煤油开展了并联再生冷却通道流量分配特性的三维数值模拟研究,分析了壁面热流强度、非均匀热流以及入口集液腔对并联再生冷却通道流量分配特性的影响规律。结果表明,当均匀热流条件下的热流强度增大时,分支管不均匀分配特性增强,但是当壁面加热量使得给定质量流率的煤油出口温度大于完全裂解温度时,非均匀分配特性有所缓和;壁面非均匀加热时,会造成分支管流量不均匀度急剧增大,且热流越大的分支管对应的质量流量越小,进而增大了该位置发生壁面超温的可能性,在热流相差仅0.25 MW/m2时,分支管热流相差最大为33.2%;通过增大入口集液腔流通面积可以改善并联分支管的流量分配特性,但是同时也会带来换热效率降低和压降增大的影响,在所研究工况中,入口集液腔为分支管总流通面积的4倍时,可以得到一个较好的流量分配特性。     

多热源相控阵天线微通道冷板拓扑结构设计

该文为解决相控阵天线阵面的温度不均,设计了S型微通道、类树形分叉横向微通道和T型纵向微通道3种拓扑结构。以多热源温度均匀性为设计指标,利用数值仿真分析了3种微通道拓扑结构的性能,结果表明T型纵向微通道冷板的热源温度均匀性最优。通过实验验证了T型纵向微通道结构的优越性,并且得出了多热源温度均匀性随着热源总功率的提高而降低,随入口流量的增加而提高的规律,为多热源相控阵天线的热设计提供了依据。     

以水为工质的铜基微通道热沉的流态可视化与传热特性

设计了微通道流态观测系统,在低雷诺数(34～191)条件下,对以水为工质的一种铜基微通道热沉的流态、温差、压降与其传热特性的关系进行研究。通过可视化观察发现,此微通道的主要流态形式为环状流并随着热流密度的进一步增大呈现周期性震荡。在微通道出现干涸现象时,流体流量迅速下降至零。低入口雷诺数下,首次发现了微通道热沉底部轴向温度呈现中间低两边高的现象。这可能由于流态为充分沸腾的环状流时,与壁面的换热效率最高导致的。微通道热沉的压降损失随着雷诺数和热流密度的增加而增大。分析结果表明,流体流态是影响铜-水微通道热沉换热特性的决定性因素。     

风道入口段的数值模拟及优化设计

根据某工程双吸离心风机风道布置的特殊要求,采用单吸风口、双出口的风道结构。为了保证风机2个进风口空气流量分配的均匀性,利用计算流体力学软件对风道内流动进行了数值模拟。通过模拟结果发现,风道入口的湍流区对出口流量分配影响明显,需要对入口处的空气流动采取导流措施。计算结果显示,优化入口风道结构后,双出口流量分配达到了很好的均匀性。     

凹槽型微通道内液体流动换热特性的实验研究

微通道热沉是解决微机电系统电子元器件冷却问题的有效途径.为提高微通道热沉的传热性能,设计2组不同水力直径的微通道热沉,分别在其流道壁面加工三角形凹槽和扇形凹槽.搭建微通道内液体单相流动与换热实验平台,以去离子水为流体介质,实验测试不同流量下微通道热沉的进出口液体压力、温度和加热面温度.以微通道流动压降、摩擦常数、加热面温度、努塞尔数和场协同数为评价标准,系统研究凹槽型微通道的流动和换热性能,结果表明:当水力直径相同时,扇形凹槽微通道内液体流动压降小于三角形凹槽微通道内的;当水力直径较小时,三角形凹槽微通道的换热性能优于扇形凹槽微通道的,水力直径较大时,扇形凹槽微通道则具有更好的散热能力;当单个通道内流体速度小于1.12 m/s时,扇形凹槽微通道的综合性能优于三角形凹槽微通道.     

电动汽车热泵空调微通道换热器温度分布特性

为了探讨微通道换热器温度分布特性对电动汽车热泵空调系统性能的影响,对应用新型微通道换热器入口分配器的电动汽车热泵系统进行性能测试,采用红外热成像仪记录制冷/制热工况下车外换热器温度分布变化情况.采用与换热器沿程方向垂直的温度不均匀度χ(温度标准方差)作为微通道换热器温度不均特性的度量.建立制冷制热工况2个BP神经网络模型,预测在不同运行工况、制冷剂流量、温度分布特性情况下系统的能效.神经网络的权重分析结果表明:对于所设计的电动汽车热泵空调系统,当微通道换热器被用作冷凝器和蒸发器时,换热器表面温度分布不均对系统性能的影响权重分别为34.97%和43.90%,改善气液两相的分配均匀性比改善气相的分配均匀性更利于系统性能的提升.     

变截面微通道散热器流动和传热特性

为了解决电子芯片散热问题,通过数值模拟的方法,研究了去离子水流经微通道散热器时的流动和传热特性.微通道散热器由无氧铜层叠焊接而成,散热器内微通道当量直径为0.23 mm,去离子水流经散热器时平均雷诺数为252~1 060,加热面热流密度为2×106W/m2.结果表明:不同雷诺数时,三角凹穴周期性变截面微通道散热器的传热性能明显优于矩形等截面直通道散热器;前者加热面平均温度和最高温度均比后者低2~3℃,且两者压降相差不大;随着去离子水流量的增加,散热器加热面平均温度降低,但当流量增加到一定程度后,加热面温度变化不明显,说明不能单靠增大泵功来强化传热.     

梯形硅基微通道热沉流体流动与传热特性研究

以去离子水为流动工质,对梯形截面的硅基微通道热沉进行了流体流动与传热的实验研究.通过测量流体的流量、进出口压降与温度、热沉底面加热膜温度,获得了梯形硅基微通道热沉在不同体积流量、不同加热功率条件下流体流动与传热特性参数.实验得出,梯形微通道的流体传热特性值与经验公式预测值相比存在明显的差异,梯形微通道角区对流体流动与传热有重要影响.最后,在实验基础上根据经验公式修正得出层流条件下的梯形硅基微通道的对流换热关联式.     

制冷剂在微流道内单相流动的阻力与换热特性

对典型制冷剂R12在微流道中的单相流动阻力特性和换热特性进行了实验研究．实验结果表明,微流道中的流动力及换热特性与常规尺度流道中的有很大差异．层流的阻力系数高于常规尺度流道中的阻力系数,流态由层流向紊流过渡的临界雷诺数也比常规尺度流道减小．     

间隔扇形凹穴型微通道流动与传热的数值模拟

用FLUENT软件模拟了三维间隔扇形凹穴型微通道流体层流流动与传热的情况,与等直径矩形微通道进行对比.结果表明:间隔扇形凹穴型微通道由于间隔段的存在降低了通道的整体压降,摩擦系数比f/f0<1;间隔段的长度明显影响微通道的传热性能,长度越长,传热恶化效果越明显.引入强化传热因子(Nu/Nu0)/(f/f0)0.290 9,当Re>200时通道1、2的(Nu/Nu0)/(f/f0)0.290 9均大于1,说明其综合传热性能优于矩形微通道.     

基于横断扰流结构微通道的数值仿真优化

横断扰流结构微通道热沉是新型微通道结构的一种,其具体构型是在割断的直通道横断区布置扰流元,通过其对横断区流体的扰流冲击作用强化整个微通道的对流换热,扰流元与直通道段的长度、宽度及位置关系对微通道内流体流动与换热有重要影响.针对横断扰流结构微通道单相液体流动与传热特性,通过CFD计算流体力学模拟与分析软件进行全通道三维数值模拟.模型采用有限容积法、SIMPLE算法进行层流计算.计算及分析结果显示,当微通道进出口段均为5 mm、换热段为10 mm时,横断扰流结构微通道的最优换热尺寸为:L1/L2=4.187 5且L2=0.4 mm,W1=W2=0.35 mm,0.5H2/H11.     

Development of high-aspect-ratio microchannel heat exchanger based on multi-tool milling process

A high-aspect-ratio microchannel heat exchanger based on multi-tool milling process was developed. Several slotting cutters were stacked together for simultaneously machining several high-aspect-ratio microchannels with manifold structures. On the basis of multi-tool milling process, the structural design of the manifold side height, microchannel length, width, number, and interval were analyzed. The heat transfer performances of high-aspect-ratio microchannel heat exchangers with two different manifolds were investigated by experiments, and the influencing factors were analyzed. The results indicate that the magnitude of heat transfer area per unit volume dominates the heat transfer performances of plate-type micro heat exchanger, while the velocity distribution between microchannels has little effects on the heat transfer performances.     

微槽冷却热沉结构尺寸的优化设计

以热阻和压降作为2个目标函数建立了微槽冷却热沉的多目标优化模型,采用序列二次规划(SQP)方法对微槽的结构尺寸进行了优化设计。优化结果表明:微槽冷却热沉的结构形状对传热性能有很大的影响,与三角形和梯形结构相比,矩形微槽结构的传热效率更高。给出了2种加权系数情况下的优化尺寸,相应的微槽宽度分别为130μm和120μm,槽栅的宽度分别为176μm和350μm,微槽的高度分别为640μm和1000μm,相应的热阻分别为0.4857K/W和0.5094 K/W。对以上得到的优化结构的微槽冷却热沉的流体流动和传热进行了数值模拟,得到芯片的最高温度分别为358.34 K和361.52 K,完全可以满足工作芯片对温度的要求。     

多孔微通道扁管发展段流动换热特性实验研究

为了提高电子器件的散热能力,减少高温引起的器件性能降低和寿命缩短的问题,对多孔微通道平行流扁管单相对流换热在发展段高热流下的流动特性和换热能力进行对比研究,并从单双面加热、不同消除接触热阻的方法和不同热流密度3个方面对微通道发展段的换热能力的影响进行评价.该通道水力直径Dh=1.09 mm,高宽比α=0.85,雷诺数Re=206~4 553.实验结果显示:发展段的摩擦阻力特性层流区与经典理论较为吻合;实验管段单面加热比双面加热在换热能力上有明显增强,但随着Re的增加差距降低;消除接触热阻的方法对换热的影响差别明显不能忽略,采用钎焊的方法与填充导热硅脂的方法相比,可使加热件表面温度降低10℃;在Re1 000时,流体黏性变化对换热的影响较为明显,在高Re区域,不同热流密度下Nu值基本一致.     

微通道内纳米流体的流动与换热特性

以不同浓度的TiO2-水纳米流体和水为冷却工质,在扇形微通道热沉内进行流动和换热特性模拟和实验研究. 模拟采用有限体积法的两相混合模型,搭建了能测量纳米流体流量、进出口压降和温度、底面加热膜温度的实验系统;工质在微通道内的雷诺数处于207~465,加热膜热流密度为2 × 106 W/m2 . 结果显示:在扇形微通道内,纳米流体的摩擦阻力系数随Re变化趋势与水相似,且均比水大;随着Re的增大,各工质的摩擦阻力系数下降. 纳米流体的传热性能强于水;随着TiO2纳米颗粒浓度和Re的增大,Nu升高,纳米流体的强化传热能力随之提高.