基于离散相模型的相变微胶囊流体传热特性数值模拟

相变材料微胶囊悬浮液是将相变微胶囊颗粒添加至单相流体中形成的一种新型传热介质,由于传热系数高、传热储能一体化等优势,具备很大的发展潜力。采用离散相两相流模型,对恒热流水平圆管中相变微胶囊流体的传热特性进行了模拟计算,通过对比实验数据验证了模型的可靠性,进而定量分析了颗粒尺寸、质量分数、相变潜热,特别是颗粒分布对传热的影响。结果表明随着微胶囊颗粒质量分数增加,颗粒粒径减小,相变潜热增大,壁面传热效果越好,且相变潜热大小对壁温控制和壁面传热的影响大于颗粒质量分数和颗粒尺寸的影响。比较了离散相模型与常用的单相流模型的计算结果,发现质量分数越高,颗粒集聚程度越高,单相流模型计算的偏差越大。     

以最佳温度均匀度和最小熵产为目标的航天器热循环试验系统运行参数优化

以数值模拟的方法研究了不同运行参数下航天器热循环试验箱内温度均匀度与熵产的变化规律。结果表明,在4.3×103≤Re≤8.6×105、4.62×1013≤Gr≤1.38×1014范围内,由于强浮升力的作用,壁面附近出现回流区,温度由上往下降低,中轴线附近气体加速下沉,温度由上往下升高。箱内量纲1温度标准偏差随Reynolds数增大而增大,随Grashof数变化不明显;混合对流过程中流动熵产远小于传热熵产,熵产数值随Reynolds数、Grashof数的增大而增大。提出了壁面Nusselt数、试验箱内量纲1平均温度、量纲1温度标准偏差及量纲1传热熵产随Reynolds数、Grashof数变化的关联式。     

流体在超轻多孔金属泡沫中的流动和换热特性

以去离子水为冷却液,对其在超轻多孔铜泡沫中的流动和换热特性进行了实验研究。在测定和分析流量、压力降和温度等实验参数的基础上,获取了热流密度、金属泡沫孔密度、液体流量等参数对层流流体流过金属泡沫时的压力降、通道壁面温度、对流换热等特性的影响。结果表明金属泡沫会显著强化对流换热,大大降低通道的壁面温度,其对流换热能力会随Reynolds数的增大而逐渐增强,最大Nusselt数可达空矩形通道的13倍,但与空通道相比,金属泡沫通道的压力降显著增大,并随Reynolds数及金属泡沫孔密度的增大而增大。     

以最佳温度均匀度和最小熵产为目标的航天器热循环试验系统运行参数优化

以数值模拟的方法研究了不同运行参数下航天器热循环试验箱内温度均匀度与熵产的变化规律。结果表明,在4.3×10³≤Re≤8.6×10⁵、4.62×10¹³≤Gr≤1.38×10¹⁴范围内,由于强浮升力的作用,壁面附近出现回流区,温度由上往下降低,中轴线附近气体加速下沉,温度由上往下升高。箱内量纲1温度标准偏差随Reynolds数增大而增大,随Grashof数变化不明显;混合对流过程中流动熵产远小于传热熵产,熵产数值随Reynolds数、Grashof数的增大而增大。提出了壁面Nusselt数、试验箱内量纲1平均温度、量纲1温度标准偏差及量纲1传热熵产随Reynolds数、Grashof数变化的关联式。     

圆管内氧化石墨烯MPCM悬浮液对流传热实验研究

由于氧化石墨烯(GO)的高热导率特性,将其添加至相变微胶囊颗粒内,以提高以其为基材制备的悬浮液的热导率,从而进一步强化传热。分别测试了纯水、5wt%相变微胶囊悬浮液(MPCMS)、5wt%和10wt%复合氧化石墨烯的相变微胶囊悬浮液(GO-MPCMS)的传热特性,分析讨论了壁面热流密度、雷诺数(Re)等参数的影响。结果表明,由于相变过程的影响,圆管壁面和流体温度分布呈现上升、平直、上升的变化规律;相同实验条件下,当工质为悬浮液时壁面温度与流体温度比纯水低;颗粒浓度和GO均对传热产生较大影响,相同质量分数(5wt%)时,添加GO时可使稳定后的局部努塞尔数(Nu_x)进一步提升8个百分点,颗粒质量分数由5wt%增至10wt%时,Nu_x又增加了20个百分点;与纯水相比,同时考虑GO和微胶囊颗粒的影响,相同实验条件下,相变微胶囊悬浮液平均努塞尔数(Nu)可提升1.0～2.0倍。     

轴向导热对微通道内传热特性的影响

以去离子水为工质,在当量直径为155.3 μm的三角形硅基微通道中进行了传热特性的实验研究;采用轴向导热与总加热量的比值和轴向导热准则数来分析轴向导热对微通道内传热特性的影响;基于实验结果,对入口段长度进行了计算。根据红外热像仪的测量结果,局部壁面温度沿流动方向上呈非线性规律分布,并计算得出局部Nusselt数沿流动方向上的分布规律。轴向导热与总加热量的比值的变化范围为0.106～0.275,表明轴向导热对微通道内传热特性的影响显著,特别是在Reynolds数较小的情况下。对轴向导热准则数进行了新的修正,在热流密度与入口温度相近的情况下,轴向导热准则数随Reynolds数的增加而减小。     

细小槽道换热器内相变微胶囊悬浮液对流传热DPM模拟

基于离散相模型,采用颗粒比热容随温度变化分段函数描述颗粒的相变过程,模拟了相变微胶囊悬浮液在细小槽道换热器内的对流传热特性,考察了不同入口流量时换热器进出口压差及温差的变化规律,并与纯水进行比较,分析了换热器内部及加热面温度分布,研究了换热器典型通道修正的局部努赛尔数Nux*沿流动方向的变化规律. 结果表明,相变微胶囊悬浮液在换热器内的压损随流量变化规律与纯水一致,较纯水有所增大;引入相变微胶囊颗粒减缓了加热面和流体温度升高的速率,使换热器出口及加热面的温度比纯水低;受进出口位置影响,换热器内温度呈现中间通道低、向两侧逐渐升高的分布规律. 不同通道的Nux*沿流动方向的变化规律存在一定差异,部分通道内相变材料完全融化,而部分通道内相变材料尚未完全融化就流出换热器. 需改进换热器进出口位置或对换热器内部结构进行优化设计以获得较好的流量分配特性,从而改善换热效果.     

微槽道内单相流动阻力与传热特性

对去离子水在微槽道中的单相流动阻力和传热特性进行了实验研究.结果表明,微槽道中的流动阻力特性及传热特性与常规尺度通道相比存在明显的差异,实验的fRe值高于传统理论预测值,并且随Reynolds数的增加而增大,而传热系数则明显小于传统理论预测值,分析表明微槽道的表面粗糙度对流动和传热有重要的影响.在热阻相同的情况下,提高工质的入口温度或增加热流通量,可减小实验段的压降.同时给出了层流区的流动阻力计算关系式.     

微小管道内相变微胶囊悬浮液换热特性

通过实验研究了去离子水和10%浓度相变微胶囊悬浮液在1mm、2mm管道内换热特性,结果表明:在Reynolds数Re=400~1000,1mm管道内去离子水和10%浓度相变微胶囊悬浮液局部Nusselt数Nux均比2mm管道的小,分析其原因,这主要是由于1mm管道壁厚管径比大导致的轴向导热比2mm管道强引起的;1mm管道内去离子水中加入相变微胶囊颗粒能够增强与管壁之间对流换热,且随着Re的增加,Nux增大,而2mm管道内去离子水中加入相变微胶囊颗粒,构成10%浓度相变微胶囊悬浮液,表现出比水更差的换热特性,并且随着Re的增加Nu_x降低。     

微小管道内相变微胶囊悬浮液换热特性

通过实验研究了去离子水和10%浓度相变微胶囊悬浮液在1 mm、2 mm管道内换热特性,结果表明：在Reynolds数Re=400～1000,1 mm管道内去离子水和10%浓度相变微胶囊悬浮液局部Nusselt数Nu_x均比2 mm 管道的小,分析其原因,这主要是由于1 mm管道壁厚管径比大导致的轴向导热比2 mm管道强引起的;1 mm管道内去离子水中加入相变微胶囊颗粒能够增强与管壁之间对流换热,且随着Re的增加,Nu_x增大,而2 mm管道内去离子水中加入相变微胶囊颗粒,构成10%浓度相变微胶囊悬浮液,表现出比水更差的换热特性,并且随着Re的增加Nu_x降低。     

相变微胶囊的制备及其在微通道的应用进展

相变微胶囊是一种性能良好、稳定性强的相变储能材料,其热导率偏低,但对相变微胶囊进行改性以及优化换热条件可以提高热导率。本文系统地介绍了相变微胶囊与改性相变微胶囊的制备方法,以及两者的区别。文章指出,对比分析可知,原位聚合法是制备改性相变微胶囊最常用的方法,对壁材进行改性是最常用的改性方法,并且在众多改性材料中氧化石墨烯是一种高导热、力学性能优异、稳定性强的改性材料。同时,文中对相变微胶囊和改性相变微胶囊在微通道换热器中的应用进行概述与总结,指出其中存在的问题：相变微胶囊与微通道换热器的结合,在提升换热效果的同时还存在着增加流动阻力和压降的问题。因此需要确定悬浮液流动的临界速度,充分发挥相变微胶囊与微通道换热器的优势。     

Laminar Flow and Heat Transfer Characteristics in Jackets of Triangular Flow Channels

Laminar flow and heat transfer characteristics of jacketed vessel with triangular flow channels were numerically studied under hydrodynamically and thermally fully developed conditions. Constant heat flux at theheated wall was assumed. The numerical program code interms of vorticity, stream function, axial velocity com ponent and energy equations was written based on a finite volume method. Based on the numerical results, the flow and temperature field were given, and the effects of Dean and Prandtl numbers on flow and heat transfer were ex amined, and the correlations of flow resistance and mean Nusselt number were developed for the jacket. The results show that the structure of secondary flow is steady two vortices in the investigated range of dimensionless curvatureratio and Reynolds number. Two peaks of local Nusselt number increase significantly with Prandtl and Dean num ber increasing, but the local Nusselt numbers near two ends and at the center of the heated wall increase only slightly. The center and two ends of heated wall are the poor positions for heat transfer in the jacket. Compared with the outer half coil jacket at the same area of heated wall, curvature radius, Reynolds number and Prandtl number, e jacket of triangular flow chmnel has lower flow resistance and less mean Nusselt number.     

叉排微柱群内顶部缝隙对传热效率的影响

以去离子水为工质,实验研究了直径为500 μm、高度为500 μm以叉排排列的微柱群内顶部缝隙对传热效率的影响规律。采用电加热棒进行加热,测量微柱群板Reynolds数在8～400之间在不同顶部缝隙时的进出口温度与流量,获得微柱群内流动阻力系数及Nusselt数,进而掌握微柱群内传热效率与Re关系。研究结果表明,在较低Re时,顶部缝隙对微柱群内流动阻力和Nu影响较小;随着Re增加,其对流动阻力与Nu的影响越来越显著。微柱群传热效率一开始随着Re增加而快速增加,随着Re进一步增加,其传热效率开始缓慢增加甚至出现下降。根据实验结果,尽管微柱群顶部缝隙存在降低了其内Nu,但提高了微柱群的传热效率。     

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。     

扭曲三叶管传热与流阻性能的数值研究

扭曲管换热器是一种新型高效换热器。在扭曲管强化传热机理研究的基础上,提出了一种新的扭曲管管型--三叶管。验证了标准k-ω湍流模型在圆管及扭曲椭圆管计算中的精确度,并采用该湍流模型对扭曲三叶管Re在4000～20000范围内的传热和流阻性能进行了研究。计算结果表明,扭曲三叶管的Nusselt数比扭曲椭圆管大,虽然压差增大较多但综合传热性能比扭曲椭圆管高。这是由于扭曲三叶管特殊的三叶区结构以及过渡区曲率的变化,使得三叶管内的螺旋流动比椭圆管更为复杂,速度场与温度梯度场的协同程度更好。随着Reynolds数的增大扭曲三叶管的压差及Nusselt数都逐渐增大,但综合性能逐渐降低,在低Reynolds数下扭曲三叶管的强化传热效果较为明显。内切圆直径及过渡圆弧直径越小,扭曲三叶管的综合性能越好,其中内切圆直径的影响更为显著。     

管内强化传热性能的熵产分析与性能评价

通过热力学第一、第二定律,对管内对流换热综合性能进行熵产分析和评价.建立了一种基于流动与传热过程熵增原理的统一分析方法,在等壁温边界条件下进行熵产分析.并以文献中内翅片管的强化传热作为应用,分别对相同流量、泵功、压降在等热负荷限制下进行强化传热性能评价.结果表明：对于给定的管道,量纲1熵产数只与流动Reynolds数和进口与壁面的温度差有关.利用该分析方法不仅可通过参数分析获得几种强化方式的能量综合利用效果,还可确定合理的流动工况参数、结构参数和合理的强化形式.     

电动汽车电池冷却器冷却液侧传热与流动性能仿真

针对双回路液冷电池热管理系统关键部件电池冷却器进行仿真研究，将提取出的冷却液侧流道作为研究对象，分析换热器中波纹板结构、冷却液质量流量与入口温度对于流道内流动及换热的影响。研究发现，波纹及上下板间的触点结构会在流道中产生的二次流，在低Reynolds数（Re=739）下即可达到湍流，增强了换热效果。拟合了板片Nusselt数与Reynolds数的关系式，发现板片的平均传热系数随着质量流量的提高而增加，增幅可达374%，但功耗也随之迅速增加，因而，需要合理选择质量流量以平衡传热与功耗。冷却液入口温度主要通过热物性影响传热系数及压降，但整体影响幅度较小，因而在实际使用中可不考虑季节与运行因素对电池冷却器性能的影响。     

Prediction of Nusselt Number and Friction Factor of Water-Al2O3 Nanofluid Flow in Shell-and-Tube Heat Exchanger with Helical Baffles

Heat transfer and flow field of water-Al₂O₃ nanofluid were simulated three-dimensionally in the shell-side of shell-and-tube heat exchanger with helical baffles. The effects of Reynolds number and volume fraction on heat transfer and pressure drop were evaluated. Increasing the volume fraction and Reynolds number intensified both heat transfer and pressure drop. Reduction of the Reynolds number increased the friction factor, but no considerable change was observed in the friction factor by increasing the volume fraction at constant Reynolds number. Heat transfer of the nanofluid revealed greater dependency on the volume fraction of particles at lower Reynolds numbers. Models of Nusselt number and friction factor were obtained in the heat exchanger in terms of Reynolds number and volume fraction using neural network. The neural network predicted the output variables with great accuracy.