连通微通道内过冷流动沸腾传热强化机理分析

连通微通道（平行主通道由支流通道连通）流动沸腾传热具有优越的换热性能,但其传热传质强化机理尚不够明确,限制了其实际应用。鉴于此,本文基于流体体积函数（VOF）方法,对连通微通道内过冷流动沸腾进行二维非稳态数值模拟,研究了流场扰动、脱落汽泡与壁面间的薄液膜分布对微通道当地传热系数的影响规律。结果表明,连通微通道存在两种强化换热机理：支流通道脱落汽泡可增强主通道流场扰动,进而促进了通道热边界层再发展;脱落汽泡与热壁面间可形成薄液膜,该薄液膜减小了换热热阻。同时研究了支流通道倾角（θ）对连通微通道强化换热的影响,结果发现,不同θ时,连通微通道整体平均传热系数提高10.51%~17.66%,单个主通道平均传热系数最高可提升27.94%,且θ=45°时连通微通道具有最佳换热特性。该研究有望为芯片高效冷却结构的设计提供指导。     

壁面润湿性对微通道内Taylor流动特性的影响

壁面润湿性不仅影响着Taylor气泡的形状,同时对通道内流体流动、相变换热等有着关键的作用。采用VOF模型对T型微通道内气液两相Taylor流动进行三维数值模拟,重点研究了接触角改变对Taylor气泡流体动力学特性的影响。模拟结果与他人实验数据对比基本吻合,验证了模型的有效性。结果表明：随着接触角增大,气泡周围液含量逐渐降低,相界面也由外凸形变为内凹形。壁面越接近润湿（或疏水）状态,气液接触面的曲率就越大;当120°≤θ≤150°时Taylor气泡稳定性变差。当θ≥150°时“拖曳流态”出现,分析指出在大接触角下气体更易贴附壁面导致接触区内流场发生变化,形成的涡流减弱了水对气相的水平剪切作用,进而引起流型转变。接触角对通道内压力有着重要影响,通道中心轴向压力曲线以θ=90°为过渡,润湿状态下呈凸函数递减且p _G>p _L,疏水状态下气液进口处的压力分配改变,曲线趋势相反。     

一种基于特斯拉阀结构的微混合器设计、模拟及其试验研究

微混合器是常见的用于流体混合的设备,由于特斯拉阀结构简单稳定,流动方式特殊,具有开发微混合器的潜质。本文通过数值模拟的方法,在特斯拉阀结构以及前期研究的基础上,改进并优化了一种特斯拉型的微混合器,利用流体力学软件（Fluent）研究了不同θ角度以及不同雷诺数下的混合程度,并对该结构的混合效果进行了流场分析以及试验验证。结果表明,该新型微混合器的最佳几何参数为θ=30°。两股流体在Re=52.5、混合长度为50mm时,混合程度η=0.9647,体系压降为330.45Pa。该微混合器的操作压降较低,相对于先前结构,混合性能更好,混合长度更短。     

微通道狭缝冲击射流热沉换热及热应力模拟

为研究纳米流体种类及浓度、热沉材料、狭缝长宽比对热沉换热性能及热应力的影响,建立了微通道狭缝冲击射流热沉三维模型.利用数值模拟得到纳米流体在通道形状为圆形和矩形热沉中的压降、热阻、泵功及壁面与流体之间的温差大小,同时也得到不同材料的热沉由于温度分布不均匀而引起的形变量的大小,研究结果表明:通道形状为圆形的热沉在导致泵功...     

带有周期性扰流结构的微通道内流动与传热特性

设计了一种周期性扰流微结构,由布置在微通道侧壁的凹穴和微通道中心的针肋组成。研究了该热沉内流动和传热特性,分析了扰流结构几何参数对热沉不可逆损失和散热效率的影响,利用热阻和强化传热因子评价综合性能。研究表明,等腰梯形凹穴的底边相对长度（RL）对热沉性能具有显著影响。雷诺数（Re）较大时,减小RL能够明显减小凹穴内部的旋涡,从而减小流动摩擦损失,降低通道压降和流动不可逆性。同时,减小RL有利于增强流体对凹穴收缩段的冲刷,减小凹穴内的层流滞止区,将凹穴处的热量及时带走,从而提高热沉的散热效率。与传统光滑微通道（SM）相比,周期性扰流结构能够显著减小热沉的总熵产和热阻,增大强化传热因子,提高热沉的综合性能。综合考虑传热和流动阻力,较低泵功条件下,RL=0.3的热沉综合性能最优;较高泵功条件下,RL=0的热沉综合性能最佳。周期性扰流结构能够提高微冷却系统的效率和经济性,在微型器件冷却领域具有广阔的应用前景。     

局部几何构型对聚焦流微通道内液滴生成特性的影响

在微流控技术中,微通道结构的优化设计是一种被动实现液滴精确调控的有效方法。为探究分散相入口、通道下游孔口以及二者共存模式下的通道结构变化对液滴生成特性的影响,采用VOF / CSF耦合level set的界面捕捉法对聚焦流微通道内的液滴生成开展了数值模拟研究。结果表明,当孔口为单一变量时,液滴生成周期和直径随孔口宽度呈近线性增大,且颈部宽度收缩率随孔口宽度的增大而不断减小。孔口的收缩有助于强化连续相Y方向的挤压和X方向的黏性剪切作用。当孔口宽度较小,聚焦作用较强时,液滴生成周期和直径整体上对分散相入口竖直和水平边锥形角的变化并不敏感;此时,孔口对连续相的聚焦效应主要影响液滴的生成特性。当孔口和分散相入口水平边锥形角θ₂同步变化时,二者可协同影响液滴的生成。孔口宽度的增大削弱了孔口的聚焦作用,液滴挤压破裂时间在单个周期中的占比逐渐增大。此外,当孔口宽度较大时,液滴生成开始对θ₂敏感,其周期和直径随θ₂增大而增大,且液滴可从滴流向射流模式转变。     

微通道壁面浸润性对气-液两相流的影响规律研究

通道壁面浸润性对微通道内的气-液两相流具有重要影响。利用等离子体辅助接枝改性,将甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱（SBMA）及1H, 1H, 2H, 2H-全氟癸基三乙氧基硅烷接枝在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料表面,得到了10°、40°、70°和110°四种接触角的微通道,并考察了浸润性对流型、气泡长度和压降的影响。结果表明,随接触角增大,气泡截断位置下移,膨胀阶段缩短,挤压阶段变长;低流量时,气泡长度随接触角增加而增大,高流量时则减小;建立了与材料表面水接触角相关的气泡尺寸预测关联式,与Garstecki经典预测关联式相比,预测精度更高;θ<90°时,接触角增加,压降减小;θ>90°时,三相接触线使流动阻力和压降增加。     

恒壁温下矩形微通道热沉换热特性分析

建立了恒壁温条件下矩形硅微通道热沉的三维模型,对微通道内单相层流的换热和流动特性进行了数值模拟研究,分析结果表明:沿流动方向,热沉流体域的温度梯度大于固体域的温度梯度,且最大的温度梯度出现在入口段;除恒温热沉顶面外,通道顶面的温度最大,通道底面和热沉底面的温度近似趋于定值。通道内的换热研究发现,通道侧壁面的Nu数最大,顶面与底面相差很小,角落处的Nu数趋近于0。     

非均匀润湿性微通道表面池沸腾换热特性

采用高温热氧化与表面改性技术并结合电火花线切割工艺在紫铜表面制备了3类非均匀润湿性微通道表面,微通道顶部接触角分别为8.6°、88.1°、156.1°,通道内部接触角为113.2°。经饱和池沸腾试验表明,具有超亲水性顶部(θ=8.6°)和超疏水顶部(θ=156.1°)的微通道表面临界热通量分别较紫铜表面(θ=88.1°)提高了61%和35%,最大传热系数分别提高了2.3倍和6倍。气泡动力学可视化研究表明:非均匀润湿结构能够显著抑制气泡的合并与团聚,使得气泡之间存在的间隙成为液体补充路径,这是临界热通量提高的主要机理。     

方形微通道内超临界CO2流动换热特性研究

采用SST k-ω湍流模型对加热条件下超临界CO₂在方形微通道内的流动换热特性进行了数值模拟。通过对比三种壁面平均传热系数、浮升力参数和二次流强度的沿程变化研究了管型、热通量、质量流量和倾斜角度对微通道内流动换热性能的影响。结果表明：水平方形微通道的整体换热性能优于相同水力直径的半圆形微通道。流体域典型截面的温度分布、速度分布和湍动能分布等信息可以很好地解释水平方向流动时上、下壁面传热差异的现象。减小热通量、增大质量流量或减小流体流动方向与重力方向之间的夹角,可提高方形微通道的整体换热水平。该模拟结果对以超临界CO₂为工质的微通道换热器的设计和优化具有一定的理论指导意义。     

Effect of spoiler columns on heat transfer performance of aluminum nitride-based microchannel heat sink

Microchannel heat sinks (MCHSs) are among the most effective solutions for high-power heating elements; aluminium nitride (AlN) is widely used in various heat sinks owing to its high thermal conductivity. The study aims to investigate the effect of the spoiler column shape, number of rows, and position of the inlet/outlet on the temperature and pressure drop of AlN-based microchannel heat sink using a thermal fluid structure coupling simulation. The results showed that the circular spoiler column had the best dredging effect on the eddy current, which greatly improved the local Nusselt number and heat transfer efficiency. The maximum temperature of the heat sink with circular spoiler columns was 6.53 K lower than that without the spoiler column. The average flow velocity and heat transfer efficiency increased with an increase in the number of spoiler columns and the convective heat transfer area. However, the flow resistance and pressure drop between the inlet and outlet raised. When the inlet and outlet were arranged at the centreline, the flow velocity distribution in the heat sink is more uniform, and the maximum temperature was 160.78 K lower than that on the upper side. Heat transfer experiments were carried out by using three kinds of AlN-based microchannel heat sinks, which was machined by the pickling-assisted laser method. The heat transfer experiments showed that the error between simulation results and test data was less than 0.1%.     

非牛顿流体在波节套管换热器中流动与换热的实验研究

针对非牛顿流体在波节套管换热器管程的流动与换热进行了实验研究。重点研究了0.2%黄原胶溶液(XG)在不同波节套管换热器管程流动时的传热与阻力特性,并分析了强化传热机理。结果表明在相同工况下,随着管程黄原胶溶液Reynolds数Re_XG的增大,套管换热器总传热系数k和管程进出口压降Δp逐渐增大;波高H和波距S影响黄原胶溶液在套管换热器管程的流动与换热。随波高H增大,黄原胶溶液受波节处的涡旋效应的影响更明显,流体层间剪切力变大导致黄原胶溶液黏度变小,湍流程度更大,管程传热性能提高,压降也增大,但综合传热性能不断优化;随波距S增大,单位长度波节数量减少,对黄原胶溶液扰动影响降低,湍流程度降低,管程传热系数先增大后减小,流动阻力不断降低,综合传热性能先提高后减弱。当H=3.5 mm、S=30 mm时管程波节管的综合换热因子η_tube达到最大,η_tube是相同条件下圆管的5.11~6.69倍。     

非牛顿流体在波节套管换热器中流动与换热的实验研究

针对非牛顿流体在波节套管换热器管程的流动与换热进行了实验研究。重点研究了0.2%黄原胶溶液(XG)在不同波节套管换热器管程流动时的传热与阻力特性,并分析了强化传热机理。结果表明在相同工况下,随着管程黄原胶溶液Reynolds数Re_XG的增大,套管换热器总传热系数k和管程进出口压降Δp逐渐增大;波高H和波距S影响黄原胶溶液在套管换热器管程的流动与换热。随波高H增大,黄原胶溶液受波节处的涡旋效应的影响更明显,流体层间剪切力变大导致黄原胶溶液黏度变小,湍流程度更大,管程传热性能提高,压降也增大,但综合传热性能不断优化;随波距S增大,单位长度波节数量减少,对黄原胶溶液扰动影响降低,湍流程度降低,管程传热系数先增大后减小,流动阻力不断降低,综合传热性能先提高后减弱。当H=3.5 mm、S=30 mm时管程波节管的综合换热因子η_tube达到最大,η_tube是相同条件下圆管的5.11~6.69倍。     

定热流边界下重力作用PCM熔化过程规律

为提升相变储热单元的相变材料(PCM)熔化速率,本文定义基于热源输入方向与重力方向的通用坐标,建立可视化实验装置与数学模型,探究定热流边界下夹角γ对方腔内PCM熔化的作用规律。结果表明,当夹角γ从0°增加到180°时,PCM熔化时间先增加后减少,最后轻微上升。当夹角γ为0°时,PCM以纯导热完成熔化;夹角为15°时,对应的熔化时间最长,相对纯导热过程增加了40.32%;夹角为120°时,对应的熔化时间最短,相对纯导热过程减少了63.11%。当夹角较小时,自然对流对PCM的整体熔化过程有抑制作用,只有在夹角大于一定数值时,自然对流才能促进PCM的熔化过程。此外,多工况下获取的最优夹角γ均在90°～180°,且相对更趋近90°。所以在实际工程应用中,规整相变储热单元的热源端最低点应该低于PCM端最低点。     

聚合釜传热性能的实验研究及数值模拟

基于CFD模拟与传热实验相结合的方法对5 L夹套聚合釜的传热性能进行研究。建立聚合釜的液固耦合稳态传热模型,获得釜内流体、夹套内流体及金属固体域内温度分布。开展传热实验对模拟结果进行验证,各对比点温度的最大相对误差在1%~5%范围内。通过模拟获得釜内外壁面传热系数及总传热系数,并关联出釜侧及夹套侧 Nu的经验式。结果表明：釜内流体温度分布方差始终在0.002以下,固体域内和传热边界层温度梯度较大,传热边界层厚度约3.8 mm;实验范围内,入口温度和反应放热量对釜内温度的影响显著,入口流速次之,搅拌转速影响最弱;夹套侧传热系数远小于釜侧传热系数,提高夹套侧传热系数是提升传热性能的关键;实验用聚合釜外表面散热量与内外温差呈正比,比例系数约为3.031 W·K ^-1。     

Thermal and hydrodynamic characteristics of constructal tree‐shaped minichannel heat sink

A three‐dimensional thermal and hydrodynamic model for constructal tree‐shaped minichannel heat sink is developed. The heat and fluid flow in the constructal heat sink with an inlet hydraulic diameter of 4 mm are numerically analyzed, taking into consideration conjugate heat transfer in the channel walls. The pressure drop, temperature uniformity, and coefficient of performance (COP) of the constructal tree‐shaped heat sink are evaluated and compared with those of the corresponding traditional serpentine flow pattern. The results indicate that the constructal tree‐shaped minichannel heat sinks have considerable advantages over the traditional serpentine flow patterns in both heat transfer and pressure drop. The strong and weak heat flow can be effectively allocated in tree‐shaped flow structures; hence, the inherent advantage of uniform temperature on the heating surface in the constructal tree‐shaped heat sink is demonstrated. And in tree‐shaped flow structures, the local pressure loss due to confluence flow is found to be larger than that due to diffluence flow. In addition, an aluminum constructal tree‐shaped minichannel heat sink is fabricated to conduct the verification experiment. The experimentally measured temperature distribution and pressure drop are in agreement with the numerical simulation, which verifies that the present model is reasonable. © 2009 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 2010     

错流旋转填料床的质、热同传性能及传热机理研究

为了研究错流旋转填料床的质、热同传性能,采用热空气-氨水体系,考察了进气温度T、超重力因子β、液体喷淋密度q和气速u对错流旋转填料床传热性能的影响,在相同实验条件下对比了丝网填料和乱堆填料的传热性能。研究结果表明：气相体积传质系数k_ya_e、体积传热系数(Ua)_s随进气温度、超重力因子、气速、液体喷淋密度的增大而增大;传热效率ε、传热面积A随超重力因子、气速、液体喷淋密度的增大而增大;传热系数K随超重力因子、气速、液体喷淋密度的增大几乎不变,从而揭示了错流旋转填料床强化气液直接传热的机理是通过提高传热面积进而提高体积传热系数,而不是显著提高传热系数。在相同条件下,以丝网为填料时k_ya_e和(Ua)_s分别是乱堆填料的1.09~1.63倍和1.24~3.53倍。     

LTNE条件下界面对流传热系数对部分填充多孔介质通道传热特性的影响

在多孔介质区考虑局部非热平衡,采用Brinkman-extended Darcy模型结合应力跳跃条件对部分填充多孔介质通道内流体传热特性进行分析。获得了各区域温度分布及Nusselt数解析解,并分析了各参数对温度及Nusselt数的影响。结果表明：界面对流传热系数H_s较小时,界面应力跳跃系数β和Darcy数Da的增加会减小流固两相间温差。而在高H_s下,Da减小也会减小两相温差。在Da、H_s和固流两相热导率之比K较大且空心率S（自由流体区高度与通道高度之比）和Biot数Bi较小时,流固两相间会在接近多孔介质区中部出现最大温差,而该最大温差会随着S增加和Da及H_s的减小向界面区移动。对于不同K与Bi,Nusselt数Nu与S的关系曲线存在不同的类型,与模型A（界面处多孔介质固相和流相根据各自温度梯度和热导率划分总热流）不同的是,采用模型C（界面处固相热流分配与自由流体区流相的热交换相关）所获得的Nu曲线类型与H_s有关。在K较小时,β对Nu的影响大于H_s对Nu的影响;而在K较大时,H_s对Nu的影响要远大于β对Nu的影响,且H_s增加会明显提高通道内的Nu。