不同截面疏水性微肋阵内减阻特性

采用疏水液处理紫铜微肋阵表面,分别在截面为圆形、菱形和椭圆形微肋阵实验段内形成接触角分别为99.5°、119.5°和151.5°(水为工质)的疏水性表面,实验测试各个工况下流道内流动阻力和压力降,分析了不同截面形状对疏水性微肋阵内减阻特性的影响规律。结果表明,当接触角增大时,压力降变化率在微肋阵内的变化规律随截面形状的改变而发生变化;同一接触角下,椭圆形微肋阵内压力降变化率随流量增加而逐渐减小,而菱形和圆形微肋阵则先减小后保持常数。相同Reynolds数(Re)下,3种截面实验段中减阻率均随接触角的增大而增加。接触角相同时,椭圆形微肋阵内阻力系数变化因子随Re的增大而逐渐减小;菱形和圆形则先减小后保持常数,接触角为151.5°时最小阻力系数变化因子分别为50.81%和58.68%。     

不同截面形状超疏水微肋阵内对流换热特性

通过在圆形、菱形以及椭圆形微肋阵表面固化含有微纳米颗粒涂层制备超疏水微肋阵,并对不同截面形状超疏水微肋阵内流动与对流换热特性进行实验研究,测量得到了超疏水处理前后各截面形状微肋阵内流动阻力系数f以及Nusselt数。此外,通过计算超疏水微肋阵内的综合传热强化因子ε,定量分析了超疏水处理对不同截面形状微肋阵内流动与换热特性的综合影响。研究结果表明,超疏水处理后圆形、菱形、椭圆形微肋阵内摩擦阻力系数与未处理前相比最大可降低72%、66%、70%;同时,3种截面微肋阵内Nu有所降低,且疏水前后微肋阵Nu偏差随加热功率的增加逐渐减小,高加热功率下3种微肋阵超疏水处理前后Nu偏差最大分别不超过44%、17%、47%;高加热功率下超疏水菱形微肋阵在Re1200范围内具有良好的综合传热强化性能,ε始终高于1.17。     

加热功率对三角形微肋阵内流动与对流换热特性的影响

建立了三角形微肋阵对流换热性能测试系统, 以去离子水为工质对三角形微肋阵(d=247 μm, H=500 μm)的流动及对流换热特性进行了实验研究, 测试并得到了去离子水流经三角形微肋阵时压力降、阻力系数f及Nusselt数(Nu)等参数在不同Reynolds数(Re)及加热功率P下的变化规律, 分析了加热功率对于三角形微肋阵流动阻力及对流换热特性的影响机理。实验结果表明, Re为0~250范围内, 随加热功率增加三角形微肋阵阻力系数明显增大, 增加幅度最高可达200%以上;当Re>250时, 不同加热功率对阻力系数的影响显著减弱;而当Re>600时, 阻力系数几乎不再随加热功率增加而发生变化。当Re<250时, 随加热功率增加三角形微肋阵Nu逐渐增大, Nu增加幅度最高可达75%以上, 即加热功率增加可以强化对流换热;然而当Re>250时, 受三角形背风区旋涡演变的影响, Nu随加热功率增加而逐渐减小。     

水平微肋管内流动蒸发换热特性的实验研究

为了研究微肋管结构尺寸及工况等对管内流动蒸发性能的影响,对4种微肋管和1根9.52 mm光管进行了实验,4根微肋管中管外径为9.52 mm和7 mm的各2根,所用工质为R22.实验中质量流速变化范围为90～400kg&#8226;m^-2&#8226;s^-1,所选工况为：蒸发温度7℃,入口干度15%～20%,出口过热度5～6℃.获得了蒸发换热性能随质量流速的变化,讨论了微肋结构尺寸和管径等对蒸发换热性能的影响.两根9.52mm微肋管的传热系数比光管分别分别提高了130%和180%,而其内表面积只比光管分别增加了40%和70%.     

微肋阵通道流动沸腾换热与压降特性

为探究不同截面微肋阵通道内的流动沸腾换热机理,以去离子水为工质,在质量流速为96～224 kg·m^-2·s^-1,有效热通量为10～240 W·cm^-2的范围内,对圆形、菱形、椭圆形微肋阵通道内流动沸腾换热及压降特性进行了实验研究,同时对微通道内流动沸腾的不稳定性进行了分析。通过实验发现：在低热通量下,核态沸腾占主导地位,而在中高热通量下,薄膜蒸发对流换热为主要沸腾机制;沸腾传热系数随着热通量和出口干度的增加而减小,两相压降随着热通量和出口干度的增加而增大;微肋阵肋间形成的次级通道宽度对换热和两相压降有很大的影响,次级通道越宽,气泡越容易脱离,换热效果越好,压降越大;微肋的存在抑制了气泡的反向流动,减小了沸腾不稳定性,推迟了临界热通量的发生,椭圆形微肋阵通道的流动沸腾稳定性最好,而圆形微肋阵通道的流动沸腾稳定性最差。     

超疏水微通道传热机理

介绍了在微尺度下化工流体流动和传热的特性,在实验研究超疏水微通道流动传热特性的基础上,建立了超疏水微通道凹槽的半球传热模型,并利用FLUENT软件,进行了数值模拟。对模拟的内部流场、温度场和传热系数的分布进行了分析,模拟得到的传热系数与实验值吻合性较好,本文认为在滑移速度的作用下,对传热具有促进作用。     

不同截面形状微肋片内流动阻力特性

以去离子水为工质,实验研究了横截面形状为圆形、椭圆及菱形的叉排微肋片组成的流道内的流动阻力特性。结果表明,3种形状肋片流道内压降随流量增大而增大。受微/小尺度下层流边界层的影响,流量较低时微肋形状对流动影响较弱,椭圆形肋片与菱形肋片内压降几乎相同,而圆形截面肋片内由于流动距离较长导致流动阻力最大;当流量较大时,椭圆形肋片内压降最小。Re较小时,长短轴一致的菱形肋片内的流动阻力系数f比椭圆形肋片略低,但在Re较高时,椭圆形肋片内的f值仍然最低。研究还表明,在现有各种关联式中,只有菱形微肋片关联计算值与本实验值较吻合。     

不同截面形状微肋片内流动阻力特性

以去离子水为工质,实验研究了横截面形状为圆形、椭圆及菱形的叉排微肋片组成的流道内的流动阻力特性。结果表明,3种形状肋片流道内压降随流量增大而增大。受微/小尺度下层流边界层的影响,流量较低时微肋形状对流动影响较弱,椭圆形肋片与菱形肋片内压降几乎相同,而圆形截面肋片内由于流动距离较长导致流动阻力最大;当流量较大时,椭圆形肋片内压降最小。Re较小时,长短轴一致的菱形肋片内的流动阻力系数f比椭圆形肋片略低,但在Re较高时,椭圆形肋片内的f值仍然最低。研究还表明,在现有各种关联式中,只有菱形微肋片关联计算值与本实验值较吻合。     

丙烷在水平微肋管内的沸腾传热强化特性

为了分析质量流速、热流密度和管径对丙烷在水平微肋管内的沸腾传热强化特性的影响,定义了表示微肋管沸腾传热强化程度的强化因子,在饱和温度为11℃的工况下,分别采用水平光滑管和微肋管进行沸腾传热特性实验。结果表明:干度为0.1时,不同质量流速下强化因子几乎相等;干度大于0.1时,强化因子随质量流速的增加而增大;高质量流速下强化因子随干度增加而增大,而低质量流速下则随干度增加先减后增,且高热流密度下更早出现强化因子急剧增大现象。此外,管径越小的微肋管内沸腾传热的强化因子越大,强化传热效果更佳。     

纳米结构超疏水表面的沸腾传热

在紫铜基地表面制备了纳米结构碳膜,此种超疏水表面具有较高接触角.池式沸腾传热实验表明,水在这种表面上的传热系比普通表面大约10 000 W/(m2·K);同样传热温差下,传热通量约大2x105W/m2.实验过程中观察发现,气泡的脱离直径一般小于2mm,气泡脱离频率比普通表面快得多.阻垢实验证明,这种表面具有优良的阻垢性能.     

超疏水表面微通道内水的传热特性

微通道传热效率高但流动阻力大,超疏水表面因其与水具有滑移边界而表现出低流阻的特征,在微过程中具有应用前景。利用化学刻蚀法制备出具有微纳米阶层结构的铝基超疏水表面微通道(内径为0.68mm)。在超疏/亲水微通道内进行了水的流动传热实验研究,并将结果进行对比。研究发现存在于超疏水表面微纳米结构里的气泡层减小了水的流动阻力,也降低了表面传热系数,但降低程度明显小于流动阻力的降低,传热系数高于考虑纳米气泡层计算的传热系数。因此认为在水的滑移速度作用下,凹穴中微纳米级气泡内产生了气体的涡旋流动,一定程度上增强了传热效果。     

超疏水表面有滑移时的层流换热分析

在考虑速度滑移的前提下,对于圆管形微通道内温度边界层充分发展的恒热流量对流传热,推导了速度和温度分布表达式,并进一步得到对流传热系数和Nusselt数计算式。此外,还针对超疏水表面不同结构参数下的滞留空气层,提出了超疏水表面的有效导热模型,推导出超疏水表面不同结构参数下的热阻。最后将传热系数与超疏水表面热阻进行耦合,得出超疏水表面有效传热系数及其与超疏水表面结构参数的关系。计算结果表明:超疏水表面上流体的滑移使得管内温度更加均匀,传热系数或Nusselt数有所增加,恒热流条件下最多可以增加1.8倍;超疏水表面热阻随肋间距和肋高的增加而增大;超疏水表面的表观传热系数随肋间距或孔宽的增加而显著降低,随肋高或孔深的增加,表观传热系数也降低,其幅度与肋间距以及肋高与肋间距之比有关;各种结构参数条件下均存在表面滞留空气层的临界厚度,在此厚度以下表面有效传热系数不低于普通表面无滑移时的数值。因此,需要综合考虑超疏水表面的结构参数,包括肋高、肋间隙等,才能使超疏水表面有利于传热。     

复杂结构微通道热沉液体强化传热过程的热力学分析

微通道液体流动与传热是一个典型的不可逆过程,有必要减小传递过程中的不可逆损失大小,提高其有效利用程度,属于“质”的范畴。首先,根据热力学第一及第二定律,推导出了熵产率及热能传输系数,指出降低微通道热沉内液体温度梯度净值可以提高热能的有效利用程度;然后,基于前期的研究基础,设计出新型复杂结构微通道热沉,并模拟其三维流动与传热过程,对比分析微通道热沉结构的变化对熵产率及热能传输系数的影响,结果表明降低流体温度梯度的净值可以减少热能不可逆损失的大小,使热沉底面温度更均匀,有利于延长微电子器件的寿命;最后,由强化传热因子、熵产率及热能传输系数的定义指出用强化传热因子来评价微通道的综合传热性能更合理,而应该用熵产率及热能传输系数来评价能量的不可逆大小及利用程度。总之,热力学第一定律为微通道的综合传热性能提供了评价标准,而热力学第二定律指出了影响微通道内部强化传热的本质因素,二者相互联系,为微通道的优化设计提供热力学理论。     

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。     

凹槽表面的流动与传热特性

采用大涡模拟对底面为凹槽的矩形通道内湍流流动与传热特性进行了研究,为验证所采用数值方法的准确性与可靠性,将平直矩形通道内模拟结果与文献中的直接数值模拟结果进行了比较,换热面Nusselt数与采用Dittus-Boelter公式计算所得Nu进行了比较,计算误差小于5%。以凹槽表面为底面的矩形通道的数值模拟结果表明:通道底面的凹槽结构改变了凹槽表面处流动结构,不同的凹槽高度和长度对流动阻力和换热效果的影响不同,在特定的几何参数下,与平直矩形通道相比,凹槽表面时均Nusselt数提高了近50.5%,时均摩擦阻力系数减小了近35.17%,综合系数增加了73.89%。通道内的流动结构显示:凹槽表面附近存在流体垂直流向壁面区域,在垂直流动区域内流体出现前、后分流,分流位置处Nusselt数增加明显,摩擦阻力系数没有明显增加,其综合流动特性最好。     

恒热流工况下管内对流换热(火用)传递特性

从管内传热与流动的特点出发,基于热力学第一、第二定律和非平衡热力学理论,对壁面恒热流工况下,管内充分发展段对流换热的火用传递过程进行了研究,定义了对流换热传火用系数、火用流密度、传火用Nusselt数和对流换热火用传递方程,并导出相应的计算式;讨论了Reynolds数、量纲1热通量和不同截面位置等参数对对流换热火用传递过程的影响;最后将传火用和传热的结果进行了比较.     

纳米流体对流传热的研究进展

将纳米颗粒加入到传统换热介质中形成的纳米流体是一种新型的强化传热介质。它不仅具有较高的单相对流传热系数,而且分散稳定,不容易磨损和堵塞管道。文中综述了纳米流体在对流条件下强化传热的实验研究进展及强化传热模型,并对实验结果和强化传热的机理及模型进行了简要分析。发现:纳米流体强化对流传热的效果与颗粒和基液的属性等有关;强化传热主要是由于导热系数的增加和纳米颗粒的运动及重新分布引起的物性变化等影响。同时提出了纳米流体对流传热研究中存在及有待改进的一些问题。     

板棒式换热器传热与流阻性能研究

简要介绍了板棒式换热器的结构和工作原理,设计制造了板棒式换热器,对板棒式换热器进行了传热与流阻实验。实验结果表明总传热系数理论计算与实验结果吻合较好,验证了模型公式的正确性。板棒式换热器是一种性能优良、结构紧凑的高效换热器,在硫酸工业等气体换热场合将有广阔的应用前景。