基于AMESim泵驱动两相回路热管系统的传热特性

为降低机柜的散热负荷，减小散热系统的体积和质量，并且提高冷却系统的能量利用效率，提出利用微通道平行流换热器泵驱动两相回路热管系统方案，基于AMESim软件研究质量流量、换热器风量、环境温度、冷凝器结构参数对系统换热性能的影响。研究结果表明：制冷剂质量流量过大、换热器风量过大对系统制冷量无显著影响。室外温度是系统换热性能的重要影响因素，室外温度由10℃增加至35℃时，制冷量降低了57.9%。冷凝器流程布置和扁管排布需要考虑换热性能和流动阻力之间的平衡，平行流冷凝器为3流程，扁管数目为(12,12,10)时，系统运行性能最佳。     

分相式多孔壁微通道流动冷凝传热强化与减阻

微通道换热器应用广泛,强化传热和减阻是新型换热器设计的重要目标。为了同时实现这两相目标,本文提出了一种分相式多孔壁微通道冷凝器,利用微针肋阵列组成的多孔壁在冷凝传热过程中实现了汽液两相分离。采用实验研究方法对比了分相式多孔壁微通道与普通实心壁微通道的流动和传热特性,结果证明分相式微通道在冷凝传热中同时具备强化传热和减阻的作用。深入研究了通道内两相流动摩擦耗散原理并提出了相分离减阻理论,指出汽液两相流内部摩擦耗散的减小是分相流减阻的关键。另一方面,分相过程使针肋换热面侧壁直接与高温蒸汽接触,极大消减了蒸汽与换热壁面之间的传热液膜厚度。沿流动方向不断扩展的液通道截面与不断减缩的汽通道截面积适应了流动冷凝过程延工质流动方向"水渐多,汽渐少"的规律,保证沿程传热效果不会恶化。     

扁管结构对平行流冷凝器制冷剂侧性能的影响

平行流冷凝器是一种新型高效紧凑式换热器,其在家用空调器中的应用还存在一些问题,如压降太大等,本文使用Yang和Webb推荐的扁管侧经验传热系数及摩擦阻力关联式,采用数值模拟的方法,研究了家用空调器中平行流冷凝器多孔扁管结构对其传热及压降性能的影响。结果表明:适当减小平行流冷凝器的扁管内孔高度、宽度、宽高比及扁管孔数,可提高其传热系数、增加压降。研究结果为家用空调器中平行流冷凝器多孔扁管参数的选取提供了理论依据。     

平行流换热器两相流分配模型的建立与验证

制冷剂的分配不均对平行流换热器的换热性能会产生重大影响。基于T型管的T-junction模型,联立质量方程和压力方程,设计合适的算法建立平行流换热器两相流流量分配的模型,该模型的优势在于无需已知分歧管流量可模拟分歧管的分配特性。在此基础上,将模型的计算结果与实验数据对比验证,验证了模型有效性,为平行流换热器的设计提供合理的依据。计算并分析了干度与质量流量对平行流换热器分配的影响,结果表明干度对平行流换热器分配的影响不大。在干度不变时,提高流体的质量流量可以对平行流换热器流量分配进行改善。     

平行流换热器两相流分配模型的建立与验证

制冷剂的分配不均对平行流换热器的换热性能会产生重大影响。基于T型管的T-junction模型,联立质量方程和压力方程,设计合适的算法建立平行流换热器两相流流量分配的模型,该模型的优势在于无需已知分歧管流量可模拟分歧管的分配特性。在此基础上,将模型的计算结果与实验数据对比验证,验证了模型有效性,为平行流换热器的设计提供合理的依据。计算并分析了干度与质量流量对平行流换热器分配的影响,结果表明干度对平行流换热器分配的影响不大。在干度不变时,提高流体的质量流量可以对平行流换热器流量分配进行改善。     

冰箱用微通道冷凝器分相集总参数模型

采用微通道换热器作为冷凝器的冰箱得到快速发展,对于该类冰箱的动态特性仿真需要建立可以实现冰箱用微通道冷凝器性能快速与准确预测的模型。首先将微通道冷凝器单个流程内的所有扁管简化成一根单管,每个流程简化为一个单元,进而建立微通道冷凝器的分相集总参数模型,并基于能量收敛准则对模型进行迭代求解。开发的模型嵌入已有的冰箱动态仿真平台,模拟24 h的冰箱动态性能耗时小于3 min;计算实例显示,预测的冰箱整体能耗与实验结果误差小于9.5%。     

大深宽比双T形微通道内液-液两相流可视化研究

通过高速摄像对水力直径0.176mm、深宽比2.4的双T形矩形微通道内的液-液两相流动进行了可视化实验研究。改变连续相（硅油）和分散相（水）的流量比,记录分析了微通道不同部位油-水两相流的流型和流型发展演化情况。实验结果表明,在微通道上游T形部位的油-水两相流型主要包括滴状流、弹状流、波平行流和平行流;在微通道的中间部位,绘制了基于水和硅油量纲为1韦伯数的流型图,并将其与相关文献进行了比较。同时,发现微通道内液塞及液滴的长度（量纲为1）与油/水流量比之间存在线性关系,液塞/液滴速度比两相混合物表观速度大,建立了能够准确描述液塞/液滴运动速度的实验拟合公式。最后,研究了液滴在微通道下游T形部位的行为,观察到断裂和不断裂两种模式并进行了分析,给出了划分断裂与否的流型图。     

冰箱用微通道冷凝器分相集总参数模型

采用微通道换热器作为冷凝器的冰箱得到快速发展,对于该类冰箱的动态特性仿真需要建立可以实现冰箱用微通道冷凝器性能快速与准确预测的模型。首先将微通道冷凝器单个流程内的所有扁管简化成一根单管,每个流程简化为一个单元,进而建立微通道冷凝器的分相集总参数模型,并基于能量收敛准则对模型进行迭代求解。开发的模型嵌入已有的冰箱动态仿真平台,模拟24h的冰箱动态性能耗时小于3min;计算实例显示,预测的冰箱整体能耗与实验结果误差小于9.5%。     

T型微通道内液-液两相流流型研究

论文建立了T型微通道内液-液两相流动理论模型并采用格子Boltzmann方法进行了数值模拟,研究了T型微通道内液-液两相流型形成机制及其影响因素。采用已有文献中的实验数据验证了模型的合理性。研究结果表明,T型微通道液-液两相流流型主要由两相入口流量比和离散相We数决定,通过调整入口流量比和离散相We数,可获得弹状流、离散液滴、平行流等经典流型。离散相的相对长度受连续相毛细数Ca影响明显。当连续相毛细数较大,离散相形成液滴,离散相相对长度随连续相毛细数Ca呈单调减少趋势。     

回路热管微通道换热器蒸发冷却实验

采用微通道换热器作为数据中心回路热管冷却换热器,在微通道冷凝器侧进行了蒸发冷却实验。实验利用焓差平台测量了不同因素对采用蒸发冷却技术的微通道冷凝器换热影响,并分析了室内外不同温差、室外不同湿度条件下采用蒸发冷却的微通道冷凝器及蒸发器的进出口空气温差。实验结果表明：采用蒸发冷却可使冷凝器入口空气温度实现大幅温降,并增加冷凝器及蒸发器的进出口空气温度差值,喷淋后可使流经热管空气降温0.3～1.9℃,增大2%～20%的系统换热量,冷凝器换热效率得以提升,并可扩大回路热管换热器使用地区,延长回路热管年利用时间。     

蒸发器沸腾两相段熵产分析

以管内侧制冷剂,管外侧水的蒸发换热器为研究对象,基于热力学第一、第二定律建立了蒸发器沸腾两相流段的熵产计算模型,用量纲1熵产数N_s表示管内外流体因温差传热和压降损失引起的不可逆损失。分析水侧、制冷剂侧质量流量,水侧入口温度和管长尺寸对系统熵产数的影响。结果表明：系统熵产主要由制冷剂侧两相压降引起;系统熵产数随水侧质量流率的增大迅速降低并趋于稳定,随制冷剂侧质量流率的增大呈指数增长,随水侧进口温度和管长尺寸的增大而增加。     

微通道内非共沸混合制冷剂的流动沸腾特性

采用了3种不同组分比例的R32/R134a工质在0.86 mm的微通道中进行了传热特性和阻力特性的实验研究,考察了非共沸工质不同组分比例对微通道换热特性的影响。实验结果表明:在组分质量分数比为35%/65%时,核态沸腾在小干度下换热效果最好;干度较大时,组分比例对换热的影响效果降低。在大质量流量下传热阻力效应的影响不再明显。在压降方面,组分比为15%/85%的相对压降最大,其它两种组分的压降较小。     

双排对折型微通道换热器仿真模型开发

针对双排对折型微通道换热器,建立三维分布参数模型,基于双排对折的独特结构分别划分换热区和集流管的控制单元,并创新性提出一种基于流程的制冷剂流路描述方法。调研并整理了公开发表文献中记载的适用于微通道换热器的制冷剂侧和空气侧的换热及压降关联式,使模型能够应用于各类工况。建立模型的控制方程,并开发一种换热-压降交替迭代的快速求解算法,基于此计算换热器性能,并用试验数据验证模型的计算精度。结果表明,基于此仿真模型计算的换热器平均换热误差小于5%,制冷剂侧平均压降误差小于10%,满足实际工程需求。     

入口流速对间断微通道内流型演变及流量分配特性影响

微通道内气液两相流动规律是影响微通道换热器换热系数和流场温度均匀性的主要因素。以N2和H2O为工质，对间断、并联矩形微通道换热器内气液两相流型的起始、发展、稳定过程的演化以及并联通道内流量分配不均匀特性进行了数值模拟研究。结果表明，不同的进口Re对微通道内流型的演变过程和流动周期有重要影响，当进口Re为450时，气相工质在均流腔内以离散的散团状形态脉动扩散至微通道中，并联通道内气相工质从弹状流型态逐渐转变为泡状流型态；当进口Re增至为1600时，气相工质在均流腔内以较连续的椭圆状型态扩散至微通道中，并联通道内气相工质从环状流型态逐渐转变为泡状流型态。通道结构还将影响并联通道间的流量分配的均匀性，间断微腔的存在使微通道内工质质量流量分布均匀性提升38.7%，通过研究通道内压力分布规律，发现通道内静压的分布不均匀是导致两相工质从均流腔进入微通道时发生不均匀分配的重要原因。     

车用热泵内部冷凝器结构对性能的影响

以三换热器汽车热泵系统中的内部冷凝器为研究对象,实验研究了迎风面积与厚度相等时单层二流程与双层四流程的性能差别,发现双层冷凝器比单层的换热能力最大可增加7.9%,但压降增加了177.6%。建立了双层四流程冷凝器一维仿真模型,研究了当制冷剂为R134a与R1234yf时其在不同结构下的换热量与制冷剂侧压降。结果表明：不同流程排布的换热量差别较小,排布为11-12-12-11时,各个工况的R134a侧压降都显著减小;固定第二层厚度,第一层厚度从10 mm到20 mm,高风速工况下R134a的换热量最大增加10.4%,压降最大可减小63.6%;固定总厚度,采用不同的两层厚度组合,换热量变化较小,存在性能较优的两层厚度组合16 mm-8 mm与14 mm-10 mm;制冷剂为R1234yf时换热量和压降分别比R134a降低了8.02%和47.0%。     

微细通道纳米制冷剂流动沸腾阻力特性

分别以质量分数为0.2%、0.5%和0.8%的Al₂O₃-R141b纳米制冷剂和纯制冷剂R141b为工质,在水力直径为1333μm的矩形微细通道内进行了流动沸腾实验,分析了纳米颗粒浓度对工质两相摩擦压降的影响,对比了实验前后换热壁面的表面能。研究结果表明：实验工况相同时,质量分数为0.2%、0.5%和0.8%的纳米制冷剂的两相摩擦压降均比纯制冷剂低,降低的最大幅度分别约为11.6%、14.8%和19.2%;实验后纳米颗粒在换热壁面附着,使壁面表面能增大,质量分数为0.2%、0.5%和0.8%的纳米制冷剂实验后换热壁面表面能比实验前分别增大了1.26倍、1.44倍和1.91倍,减小了换热表面的粗糙度和提高其润湿性,使得工质两相摩擦压降减小;根据实验值与模型预测值的对比情况,对Qu-Mudawar模型进行修正,拟合得到的关联式能很好预测实验值,平均绝对误差为9.78%。     

分流板结构对微通道平行流蒸发器性能的影响

试验研究了仅改变微通道平行流蒸发器内第一个分流板上的开孔数量和位置时,蒸发器的流动和换热性能的变化规律。结果表明：分流板的开孔数量和位置对蒸发器的流动和换热性能影响很大。合理布置分流板的结构,可以改善蒸发器内的流量分配,从而提高蒸发器的制冷能力,同时压降也会上升,且上升幅度大于制冷量的增加幅度。分流板上的总开孔面积一定时,开孔数量和位置的变化对蒸发器的内部阻力系数没有影响。分流板上的开孔数量太少及开孔位置偏离中心都不利于流量的均匀分配。分流相对均匀的第一个分流板的结构是：开孔数量是扁管数量的一半,开孔位置与相邻两扁管的投影等距。     

内壁填充环状金属泡沫的管内流动凝结换热

通过采用在圆管内壁填充环状金属泡沫的方法强化管内对流凝结换热,实验研究了制冷剂R134a在内壁填充环状金属泡沫管内的流动凝结的压降和换热,克服了完全填充金属泡沫管流动阻力大的缺点。用于计算传热系数的管壁温度通过热电偶测量得到。综合分析了质量流速和两相流体干度对流动凝结压降及传热系数的影响。研究结果表明内壁填充环状金属泡沫管压降远大于光管,压降随质量流速和干度的增加而迅速增大且呈非线性。通过壁面温度分布和温度波动对内壁填充环状金属泡沫管内的两相流型进行判别,发现影响该类强化管凝结换热的两种主要流型：分层流和环状流。内壁填充环状金属泡沫管的凝结传热系数大于光管,且随着质量流速和干度的增加传热系数增大,该类强化管流动凝结传热系数是光管的2倍左右。     

壁面润湿性对微细通道内R141b流动沸腾不稳定性的影响

为了探究壁面润湿性对制冷剂R141b流动沸腾不稳定性的影响，设计微细通道流动沸腾实验平台，制备3种不同润湿性的矩形微细通道，其壁面接触角分别为62.3°、接近0°和158.7°。以R141b为实验工质，在截面宽×高为1mm×2mm的矩形微细通道内进行流动沸腾换热实验，研究了沿程测点压力波动情况以及影响进出口总压降波动的因素，最后对总压降波动信号进行Hurst指数分析，结果表明：微细通道沿程测点波动方差最大的位置正处于沸腾起始点（ONB）附近，热流密度的减小以及质量通量的增大均会使沸腾起始点推后；进出口总压降波动受热流密度、质量通量和壁面润湿性的影响，相同工况下，热流密度增大和质量通量的减小都会引起系统不稳定性增强，超疏水表面微细通道的总压降波动方差均比其他两种表面的大，是波动方差最小的超亲水表面的1.35～1.84倍；利用Hurst指数分析，表明系统具有混沌现象，超疏水表面微细通道的Hurst指数最大，表现出更强烈的不稳定性。