微通道内流体流动及换热特性的数值分析

采用Navier—Stokes方程与滑移边界条件联立的理论分析模型，对等壁温、等热流及无温度梯度工况下，气体在微通道中的流速分布、阻力系数变化趋势（Cf·Re）和传热特性（努塞尔数）进行了数值研究。结果表明：气体稀薄效应可显著减小管内的摩擦阻力和努塞尔数，增大气体流速；壁面的速度滑移和温度跳跃对微圆管内换热特性的影响相反，温度跳跃的影响更大；等热流加热与等壁温加热两种情况下，努塞尔数随克努森数的变化趋势明显不同。     

幂律流体在正弦粗糙微通道的流动和传热特性

基于Poisson-Boltzmann方程、修正的Cauchy动量方程和能量方程,对双电层作用下幂律流体在正弦粗糙微通道中的流动和传热问题,建立模型控制方程组,并且使用高精度紧致差分格式进行数值模拟。然后,计算了不同幂律指数和粗糙度下的速度和温度。进一步研究了幂律指数和粗糙度对通道阻力系数、平均Nusselt数和能效比的影响。结果表明:幂律指数越小,流动阻力越小且能效比越高;增加粗糙度,流动阻力上升且传热性能增强,可在一定范围内提高能效比。     

平板微通道流动传热的粗糙元间距效应

微细尺度传热问题业已成为国际传热界的研究点,而壁面粗糙度对微细通道流动和传热特性有着重要影响。以粗糙平行平板微通道为研究对象,用三角形粗糙元模拟固体表面的粗糙度,通过采用CFD(computational fluid dynamics)流体固体共轭传热技术数值研究了粗糙元间距对平行平板微通道流动和传热特性的影响规律,同时研究了其间距对微通道流动的转捩雷诺数的影响规律;计算结果表明:随着三角形粗糙元间距的增大,粗糙平板微通道的阻力性能逐渐下降,层流向湍流转捩的雷诺数呈逐渐增大趋势,同时粗糙平板微通道的传热性能呈逐渐下降趋势。     

固体接触界面微通道流体流动特性研究

建立了固体接触界面间层流流动模型,研究了不可压缩粘性流体在无规则微通道中的流动特性.该模型通道为二维、三维模型,用无规则微凸体模拟了微通道内的界面结构形式,定义了宽高比、长度比等物理量.分析了他们对流体流动的速度、压力的影响.模拟仿真结果表明微通道内微凸体的速度、压力随微凸体占微通道的面积比的增大而增大,微凸体的长度不...     

流动沸腾条件下微通道壁面温度的红外特征

设计并搭建了沸腾换热试验台,采用TH5104红外热像仪测量微通道壁面温度来研究混合制冷工质在微通道内的沸腾换热特性.测量试件是一外径为1.22 mm,内径为0.86 mm,长为200 mm的不锈钢单圆管.实验利用红外热像仪测量并记录下质量流量为1 726～8 635 kg/m2·s,热流密度为65～231 kW/m2时壁面温度的变化情况.实验分析和讨论结果显示:微通道壁面的温度分布沿着轴向变化有明显的规律性;水平微尺度通道内流动沸腾过程中,试件前后段有较大的温差效应,温差的正负与热流密度的大小有关;壁面温度的变化与热流密度、管内工质的流型和换热形式关系密切,流型越复杂,壁面温度变化越剧烈.     

壁面粗糙度效应对微流体流动特性的影响

壁面粗糙度对微流道流动特性有重要影响。分别用矩形、三角形和圆顶形粗糙元对壁面粗糙度进行模拟,详细讨论了雷诺数、粗糙元高度、粗糙元间距等因素对流速、压降及流动阻力的影响。结果表明:与光滑流道相比,粗糙度使壁面附近的流动发生明显改变,从而导致微流道内流速、压降及流阻高于经典理论预测值;微流道内流动阻力随着雷诺数及粗糙元高度的增大而增大,而随着粗糙元间距的增大,流动阻力逐渐减小。三种粗糙元相比,矩形粗糙元的影响最大,圆顶形次之,而三角形粗糙元的影响最小,可见在实际应用场合,确立合适的粗糙元形状对分析结果非常重要。     

三角形与梯形凹槽微通道流动换热特性试验研究

为研究壁面凹槽对微通道热沉流动和传热性能的影响,设计了两种侧壁具有不同凹槽结构的微通道热沉模型,以去离子水作为流体介质展开试验,并通过综合进出口压降、摩擦因子、加热面温度、努塞尔数和综合传热因子评价侧壁凹槽结构对流动换热特性的影响。结果表明,当凹槽开口长度同为1 mm、开口倾角同为25°时,三角形凹槽微通道的压降相对于梯形凹槽最高提高了9.36%;当加热功率同为240 W、入口温度同为20℃时,三角形凹槽微通道散热能力始终大于梯形凹槽微通道;当通道内雷诺数处于试验设定的500～3 500区间时,三角形凹槽微通道的流动与传热综合性能始终优于梯形凹槽微通道;设计微通道热沉侧壁凹槽结构应优先考虑三角形凹槽结构。     

微尺度通道内混合物流动沸腾特性研究

对非共沸混合工质R32／R134a(25％／75％)在微尺度管内的流动沸腾换热特性进行了试验研究。试验结果表明,在较高热流密度下,微尺度管内流动沸腾换热与质量干度和质量流量基本无关,热流密度对换热有着很大的影响,在较宽的热流密度范围内,核态沸腾在换热过程中占据主导地位。和细小管道相比,在相同条件下,微尺度管道内的流动沸腾表面传热系数高于细小管道。     

二级规则微结构对低表面能纳米通道内微流动的影响

以低表面能纳米通道内液态Poiseuille流为对象,采用分子动力学模拟方法研究通道壁面上布置二级规则微结构后对微流动特性的影响规律。数值模拟中,统计系综为微正则系综,势能函数采用LJ/126模型,壁面定义为Rigid-atom壁面,温度校正使用速度定标法,而壁面低表面能属性则通过调整壁面铂原子与液态氩原子间的势能参数来实现。结果表明,布置二级矩形和三角形微结构后壁面附近流体密度法向分布会出现两个振荡阶段,即在微结构内部出现振幅相对较小的次级振荡过程,但通道中心区流动与光滑壁面通道相似;随微结构周期T的增大,二级微结构内密度法向振幅逐渐增大,而近壁面区域振幅则减弱;而二级微结构深度H的增大,则导致其内的次级振荡幅值减小,且分布起点随之下移。另外,随微结构周期T、深度H的增大,通道内流体平均流量均逐渐增大,即呈现更好的减阻效果。     

微流道壁面粗糙度影响的电渗流数值模拟

基于微流控动力学理论,应用有限元分析方法求解二维平板粗糙壁面微流道模型内矩形截面双电层场和速度场的耦合控制方程。从数值模拟角度研究不同矩形粗糙元对称分布微流道内的电渗流流动特性,分析了粗糙度对微流体流动的影响机理。结果表明:由于粗糙元的阻力作用,粗糙壁面流道内流体速度减小,引起的压力突变导致壁面附近速度出现波动。随着粗糙元高度、宽度的增加,电渗流流速相应地降低或升高。     

微通道内壁面粗糙度对电渗流影响有限元模拟

Lab-on-a-Chip(芯片实验室)系统迅速发展对微流体的研究提出更高的要求,微通道壁面粗糙度对微尺度下的流体存在显著影响。采用有限元模拟研究了壁面机糙度对圆形截面微通道内电渗流的影响机理。壁面粗糙度几何模型采用三角形波形并考察了微通道两端存在阻碍压力作用下的情况。结果表明,壁面粗糙度宽度和间隔增加时微通道中截面流速先减小后增加。相对粗糙度值在0.01～6%之间时截面流速随着相对粗糙度的增加非线性减小,但减小趋势变缓。相对粗糙度增加时压力与截面流速线的斜率减小,截面流速不易受压力变化的影响。     

随机粗糙表面对微气体轴承性能的影响

采用尺度独立的分形参数表征粗糙表面,修正气体的雷诺方程,研究滑块轴承中气体薄膜在稀薄效应和粗糙度耦合作用影响下的压强分布、承载能力及承载力的主流向位置。结果表明:由于粗糙度的影响,气体轴承内的压强分布具有非线性特征,承载能力也不会简单地增大或减小,但承载力的主流向位置会变大。     

凹槽微通道铜-水纳米流体传热与流动分析

对铜-水纳米流体在圆弧型凹槽微通道中的传热与流动特性进行了分析。比较了不同体积分数的铜-水纳米流体在深宽比分别为0.3和0.5的凹槽微通道中的温度和速度分布,分析了体积分数和凹槽深宽比对凹槽微通道中铜-水纳米流体的传热系数和流体输运动力因子的影响。凹槽强化了微通道对流传热,与平板型微通道相比,铜-水纳米流体在圆弧型凹槽微通通内呈现出不同的传热特性。纳米流体体积分数、流体输运动力因子和凹槽深宽比对凹槽强化微通道传热影响较大。分析结果与已有的实验结果符合较好。     

树形微通道热沉仿生建模及三维热流特性数值分析

对几种典型树叶进行参数测量,获得了各级叶脉直径、交角值及直径比例关系,在此基础上建立了树形微通道热沉的CAD模型,并对不同分形级数的双层微通道系统内的温度和流动特性分布进行了数值分析。结果表明,树形微通道具有更好的均温性,7级分形的树形微通道与6级和8级分形的树形微通道相比,所冷却芯片的温度更低,压降更小,具有更好的冷却效果。     

通断型微通道的结构优化与流动特性研究

微通道换热器在解决高热流密度下的散热问题时表现出显著优势,实际工业应用通常采用集成式结构进而充分提高反应效率,但目前在反应元件集成过程中很容易发生流量分布不均进而影响换热性能,甚至出现“干蒸”以及“供液过多”的现象。因此,研究工质在平行微通道内相分配特性对于改善换热效率具有重要的指导意义。通过对通断型微通道进行结构优化,提出一种带有横向微腔的两侧加宽型微通道结构,以流动分布、传热特性、两相分配相对偏差以及压降波动来判定通断微通道相分配均匀度。研究结果显示：通断微通道进行结构优化后显著提高了相分配均匀度,各支管内气体流量相对偏差小于40%,横向微腔的设计使得相邻两个通道间充分混合,整体流动均匀效果提高了37.5%。通过对两侧通道进行加宽设计,起到了气泡过滤器的作用,减小两侧空间压力,保证通道内流型以及压力的一致性。     

砂轮新模型对平面磨削表面粗糙度产生机理

探讨了在研究磨削表面粗糙度的过程中,能否在传统的以磨粒切削刃为研究对象的研究方法之外,建立一种新的研究途径的可能性.提出了平面磨削加工中,从宏观角度研究表面粗糙度影响因素的磨削模型,认为砂轮可以等效成若干个宽度为f的连续的小砂轮组成的砂轮组.提出在一定的磨削条件下,存在磨削参数对表面粗糙度影响的临界值.指出材料弹性模量在磨削加工中对表面粗糙度具有非常重要的影响.同时结合传统理论,进行了一系列的试验验证,得到了很好的吻合.认为在目前加工参数范围内,对Ra影响显著的因素是砂轮线速度、轴向进给量和砂轮的磨损.     

基于AutoCAD表面粗糙度的自动标注

针对GB/T 131-2006对表面粗糙度标注新的要求及使用AutoCAD制图时表面粗糙度标注不方便的问题,提出利用ObjectARX进行AutoCAD二次开发的方法,实现表面粗糙度在新旧国标下CAD的自动标注。