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, 0.5<H₂/H₁<1.     

自修复用幂律流体在双尺度网状通道中的流阻特性

为了研究自修复用非牛顿幂律流体在双尺度网状通道中的层流流阻特性,分别建立了分析解模型和数值模拟模型,计算了双尺度结构和均匀结构的流阻相对大小.分析解结果表明:在流道体积相同时采用优化双尺度结构多数裂隙点的充注流阻小于均匀尺度结构,幂律指数越大,采用双尺度结构的优势越明显.典型的数值解结果与分析解一致,表明在高细维数(>...     

扇形凹穴型微通道液体流动与传热特性的数值模拟

为得到扇形凹穴型微通道内单相液体流动与传热特性,以等截面矩形微通道为参照,利用FLUENT计算流体力学模拟与分析软件进行三维数值模拟,采用有限体积法离散模型和SIMPLEX算法进行层流计算,讨论扇形凹穴型微通道热沉在不同体积流量不同热流密度条件下流体流动特性和传热特性.模拟结果表明：较大Re条件下扇形凹穴型微通道具有很...     

正弦波脉动流对微通道内流体流动与传热特性的影响

采用数值计算方法研究了两种结构微通道内由于入口速度的正弦变化而发展的非稳态层流流动与换热特性.分别研究了脉动频率、振幅以及雷诺数对流体在微通道内流动与传热的影响.研究结果表明,在雷诺数为100～400时,脉动流动对矩形通道底面温度与换热性能影响较小,但对三角凹穴结构通道有着显著影响.随着脉动频率的增加,通道底面温度先增加后减小.证明存在一极限频率使得小于该频率时通道底面温度升高,大于该频率时则降低.随着振幅的增加,通道底面温度在减小,换热不断增强.但是,随着雷诺数的增加,脉动流动的作用逐渐减小.脉动频率与振幅的增加都会使得通道的压降增加.     

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.     

基于碰撞距离的微通道内气体流动的DSMC模拟

用直接蒙特卡罗模拟方法对微通道内气体流动的部分特性进行了研究,并给出了与此方法相关的模型.在直接模拟中引入碰撞距离的思想进行碰撞对的选取,减少了存储量,保证了模拟结果的正确.在程序的编制中充分运用了Matlab语言的特点,简化了程序的设计.     

不同流量下T型微通道结构对液滴生成特性的影响

为探究不同流量下不同T型微通道对液滴生成特性的影响,建立了适用于液液两相流模拟的计算模型,并采用了VOF法进行数值求解。模拟过程中通过改变T型微通道结构、连续相毛细数、两相流动方式、分散相流量以及两相流量比对微液滴的形成机制进行分析。结果表明:随连续相毛细数增加,液滴尺寸会持续减少。两相界面周围由于速度差异会出现涡,随着速度差异增大,涡的形态也会随之改变。液滴尺寸会随着分散相流量增加先增加后减小。微通道结构以及两相流动方式的改变在高流量下对液滴尺寸近乎没有影响,但是会对能产生微液滴的两相流量比范围有较大影响。     

幂律流体在部分填充多孔介质平板通道内的流动特性研究

研究了幂律流体在部分填充多孔介质平板通道内的流动特性,通过边界层动量积分法求解了Brinkman-Darcy流动模型的动量方程,得到了幂律流体在部分填充多孔介质平板通道内的无量纲速度分布。计算分析发现,未填充多孔介质区域的无量纲速度和速度峰值随填充厚度的减小先增大后减小,填充厚度较厚时：随达西数与幂律指数的减小而增大;随着填充厚度减小,达西数对速度峰值的影响减弱,速度峰值随幂律指数的减小而减小。     

分支型微通道水-油两相流数值模拟

为了研究分支型微通道内水-油两相流动,采用水平集法进行数值模拟.微通道几何参数和流体在壁面滑移程度的变化,对液滴尺寸产生不同影响。随着入口角的增大,液滴长度呈二次变化;离散相通道越宽,液滴长度受入口角影响程度越大;在入口角是60°的通道内,随着滑移尺寸的增加,液滴长度增长程度逐渐减缓,通道内流体受壁面滑移作用的厚度约占主通道的56.3%.对微流体混合系统的优化设计提供了参考.     

圆截面PDMS微通道内微流动的Micro—PIV分析

对圆截面PDMS微通道内液体流动行为的Micro-PIV分析方法进行了研究,以互相关理论为基础,在Matlab7.0平台下自行开发了Micro-PIV分析程序,并利用日本可视化协会(VSJ)提供的PIV标准图像验证算法的可靠性.对圆截面通道内的流动行为进行分析,得到了流动的速度矢量分布场、切应力分布,以及压差与流动速度之间的关系,这些关系均基本符合微流变学层流理论,这说明Micro-PIV分析方法具有可行性和可靠性,同时也验证了采用微丝模塑技术构建的通道具有良好的流动性能.     

平板微反应器内甲烷-湿空气催化重整的数值分析研究

建立了二维稳态多组分传输反应的模型,对平板微反应器中Rh催化剂涂层上甲烷-干、湿空气催化重整制合成气进行了数值计算,并分析了采用湿空气时反应通道长度和高度对重整性能的影响.结果表明：进口速度低于2 m/s时,采用湿空气可提高甲烷转化率和产氢率,反应器出口的温度降低以及减少积碳的发生;采用湿空气时,反应通道长度增大,甲烷的转化率提高,出口氢气含量增大,出口温度相应地降低;反应通道高度增大,甲烷的转化率降低,出口氢气的含量减少,出口温度升高.     

微通道散热器长直微通道的新加工工艺研究

微通道散热器的加工是微通道散热器的核心问题之一,越来越受到广泛的关注.目前,研究人员在加工长度1000～5000 um、宽度5～500 um范围内,可以达到加工的要求,而长度大于此范围的加工工艺实现比较困难.针对此问题,本文采用数控电火花线切割方法,通过研究线电极补偿、脉宽、脉冲间隔等主要加工参数对微通道成型尺寸的影响,通过实验对比分析确定合理的加工参数以及稳定的加工条件.结果表明,加工长度为94 000 um的微通道,在线电极参数为0.77 um,脉冲宽度为28 us,间隔为9 us的前提下,所得到的微通道的宽度在250～280 um范围内.     

幂律流体在螺旋管内的流动特性分析

能源开采利用过程中所涉及的流体绝大多数为非牛顿幂律流体,分析幂律流体在螺旋管内的流动特性,可为工业生产提供理论参考。文章选取6种尺寸螺旋管模型,以幂律流体黄原胶溶液为介质,对绝热边界条件下管内流动特性进行数值模拟,对比分析不同工况下沿程阻力系数λ的变化趋势,探讨多个因素对流动特性的影响规律。结果表明:螺旋管内流体层流流动时,λ随雷诺数增加而减小,其减小的趋势随着雷诺数增加逐渐趋于平缓;螺旋管内流体湍流流动时,λ随相对粗糙度增加而增加,在相对粗糙度较小时,λ值先随雷诺数增加而减小,后随雷诺数增加而增加;相较于无量纲螺距,螺旋管曲率变化对流动阻力的影响更明显;矩形截面螺旋管道中,幂律流体层流、湍流流动所产生的λ均远大于当量直径相同的圆形截面螺旋管道。     

量纲分析的进一步细化

应用相似性理论, 利用物理概念及数学方法,讨论了量纲分析法的进一步细化.以不可压缩流体从水槽流出、可压缩流体从水槽流出以及均匀吸入或鼓出的粘性流体的流动为例,从物理概念入手,运用数学方法,得出物理意义更明确的细化解.对于量纲分析方法的实际应用将是有益的.     

微细通道内CO2流动沸腾换热数值模拟分析

为了研究CO₂工质在微细通道内流动沸腾换热特性,采用Fluent软件建立模型,通过给定边界条件模拟分析了CO₂沸腾换热,与已有的换热关联式进行对比分析.结果表明：低干度下的相对误差在15%以内,验证了模型的准确性.根据液相容积分配图,在低干度条件下,随着饱和温度和热流密度的增大,通道内气泡的数量增多,尺寸明显增大,说明CO₂沸腾换热系数增大;质量流速对沸腾换热系数的影响较小,从而也说明了在低干度区,CO₂核态沸腾机理占主导地位.     

微圆柱阵微通道内沸腾换热及气泡运动特性研究

基于流体体积(VOF)模型对恒定热流密度下的微圆柱阵通道内的流动沸腾换热特性展开数值研究,并利用几何重构法捕捉气液两相界面迁移变化,研究了流道内流速的分布和微圆柱高度对气泡分布、沸腾换热性能及沸腾不稳定性的影响。结果表明:微圆柱的存在增加了气泡核化点密度;气泡运动增加了工质与加热壁面接触的可能性;微圆柱高度较低时,易发生气塞现象,加热面散热不均导致局部异常过热,换热性能下降;微圆柱阵通过阻碍气泡反向流动来降低沸腾不稳定性,但微圆柱高度过高会造成换热系统振荡,影响传热可靠性。     

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2×10⁶W/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.     

微通道内气-液两相流动特性研究

考察了400μm光滑通道内氮气-乙醇、氮气-CMC(共5组,不同表面张力)的两相流动特性,并给出了更为普遍化的流型图,同时也研究了液体性质(密度、粘度等)对微通道内两相流体流动的影响。结果表明,不同流体的摩擦压降都会随着表观气速和表观液速的增加而呈现上升的趋势,随着粘度的增长,总体压降也会出现上升趋势,并且粘度越大越容易出现环型流。