复杂结构微通道热沉液体强化传热过程的热力学分析

微通道液体流动与传热是一个典型的不可逆过程,有必要减小传递过程中的不可逆损失大小,提高其有效利用程度,属于"质"的范畴。首先,根据热力学第一及第二定律,推导出了熵产率及热能传输系数,指出降低微通道热沉内液体温度梯度净值可以提高热能的有效利用程度;然后,基于前期的研究基础,设计出新型复杂结构微通道热沉,并模拟其三维流动与传热过程,对比分析微通道热沉结构的变化对熵产率及热能传输系数的影响,结果表明降低流体温度梯度的净值可以减少热能不可逆损失的大小,使热沉底面温度更均匀,有利于延长微电子器件的寿命;最后,由强化传热因子、熵产率及热能传输系数的定义指出用强化传热因子来评价微通道的综合传热性能更合理,而应该用熵产率及热能传输系数来评价能量的不可逆大小及利用程度。总之,热力学第一定律为微通道的综合传热性能提供了评价标准,而热力学第二定律指出了影响微通道内部强化传热的本质因素,二者相互联系,为微通道的优化设计提供热力学理论。     

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...     

复杂结构微通道热沉液体强化传热过程的热力学分析

微通道液体流动与传热是一个典型的不可逆过程,有必要减小传递过程中的不可逆损失大小,提高其有效利用程度,属于“质”的范畴。首先,根据热力学第一及第二定律,推导出了熵产率及热能传输系数,指出降低微通道热沉内液体温度梯度净值可以提高热能的有效利用程度;然后,基于前期的研究基础,设计出新型复杂结构微通道热沉,并模拟其三维流动与传热过程,对比分析微通道热沉结构的变化对熵产率及热能传输系数的影响,结果表明降低流体温度梯度的净值可以减少热能不可逆损失的大小,使热沉底面温度更均匀,有利于延长微电子器件的寿命;最后,由强化传热因子、熵产率及热能传输系数的定义指出用强化传热因子来评价微通道的综合传热性能更合理,而应该用熵产率及热能传输系数来评价能量的不可逆大小及利用程度。总之,热力学第一定律为微通道的综合传热性能提供了评价标准,而热力学第二定律指出了影响微通道内部强化传热的本质因素,二者相互联系,为微通道的优化设计提供热力学理论。     

基于场协同和(火积)耗散的微通道拓扑优化研究

基于双目标拓扑优化方法,对五种不同设计域长宽比的微通道结构进行了优化设计,获得各工况下的优化设计变量场、温度场及压力场。在此基础上,研究了不同Reynolds数对散热通道的影响,并结合场协同原理和(火积)耗散理论对不同结构的微通道进行理论分析和比较,为优化微通道结构提供理论依据。结果表明:在层流范围内,随着Reynolds数增加,拓扑流道变得更加复杂,域内平均温度逐渐降低,Nu增大,进出口压降逐渐升高,PEC逐渐减小,场协同数增大,压降协同角逐渐增大,(火积)耗散增大,各散热通道的流动传热特性趋于优化。在不同拓扑结构微通道的探究中,设计域长宽比为25/64微通道的速度场与温度场协同效果及速度场与压力场协同效果最好,传热效果最好,流动特性最优。     

微尺度通道中聚合物熔体的黏性耗散效应

以双料筒毛细管流变仪和自行研制的黏性耗散测量装置为实验平台,通过对聚甲醛(POM)和聚苯乙烯(PS)两种聚合物熔体在不同剪切速率下,流经长径比相同的直径/当量直径分别为350 μm和500 μm的圆形及矩形截面微通道出口熔体温升的测量,研究了微尺度通道中聚合物熔体流动时的黏性耗散效应及其对熔体流变行为的影响。结果表明,两种截面微通道中的熔体黏性耗散效应均随剪切速率和微道直径/当量直径的增大而明显增强,其中矩形截面微通道中熔体的黏性耗散作用尤为强烈;且在相同实验条件下,结晶性的POM熔体因黏性耗散效应引起的微通道出口熔体温升值,高于非晶性的PS熔体。     

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。     

矩形截面微模具通道中熔体的黏性耗散效应

基于对微注塑成型过程中聚合物熔体充模流动时黏性耗散效应的理论分析,以聚丙烯（PP）和高密度聚乙烯（HDPE）两种聚合物材料,在不同工艺参数作用下流经不同当量直径和长径比矩形截面微模具通道时,由黏性耗散效应引起的微通道中熔体温度变化进行了试验测量和数值模拟。结果显示,微通道出口熔体温度的试验测量和数值模拟值与理论计算值非常吻合,且其平均误差小于1℃。同时研究发现,增大微模具通道当量直径和长径比时,熔体流动时的黏性耗散热量增多,通道出口熔体温度升高;而当微通道几何尺寸一定时,其黏性耗散热量随注射速度和注射压力的升高而增加,随熔体温度和模具温度的升高而降低;但同样试验条件下,对剪切作用敏感性强的PP材料的黏性耗散热量明显高于对剪切敏感性弱的HDPE材料。     

微/小圆柱针肋热沉传热特性

圆柱形微/小针肋热沉热阻由底板及微/小肋热传导热阻、冷却液与肋间对流换热热阻以及冷却液吸热焓变热阻等组成。以去离子水为冷却液,恒定热流下,进行了叉排排布的不同尺寸的微/小圆柱形针肋热沉的单相强制对流传热实验,实验Re为100～1000,加热功率为50～300 W。实验表明：微/小圆柱形针肋热沉的Nu随Re和加热功率的增大而增大,当Re=600时对     

圆柱形锂离子电池模组微通道液冷热模型

针对电动汽车电堆的热管理系统,建立了包含71节18650型锂离子电池的电池模组的微通道液冷热模型。该模型集总处理单电池热过程、电池生热基于实测结果,模型还特别考虑了电池间导热。基于该模型,模拟研究了放电倍率、冷却液入口流速、电池间接触面积以及电池与水冷管外壁接触面积对电池模组热行为的影响。模拟结果证实了该微通道液冷方案对动力电池模组热管理的有效性,并且发现：放电倍率的增加会使电池模组内单电池温度增加、模组内温度一致性变差;增大冷却液流量可以显著降低电池模组的温度,并改善其温度一致性;增大电池间接触面积可略微提升电池模组温度一致性,但对控制其最高温度作用有限;增大电池与液冷管外壁接触面积可显著降低电池模组内电池的最高温度,但会使其温度一致性变差。     

Entransy dissipation theory optimization analysis of square microchannel heat sink

Two kinds of square microchannel heat sinks with different structures were established based on CFD software, and numerical calculations were carried out to simulate the temperature field and pressure field of the heat sink. On this basis, the effects of different microchannel distribution patterns, different mass flow rates and different heat fluxes on the temperature and pressure drop of the heat sink are studied. At the same time, based on the comparison analysis of the entransy dissipation theory, a better optimization scheme of heat sink in square microchannel is obtained. A better optimization scheme, under the fixed boundary heat flow condition, the smaller the entransy dissipation, the better the heat exchange effect. The calculation results show that with the increase of mass flow rate, the heat sink temperature gradually decreases, the pressure drop increases gradually, the PEC gradually increases, and the entransy dissipation decreases; as the heat flux density increases, the heat sink temperature gradually increases, the pressure drop gradually decreases, the PEC gradually increases, and the entransy dissipation gradually decreases. The microchannel distribution pattern is the upper inscribed circle radius-lower layer circumcircle radius distribution, the temperature of the heat sink is lower, the PEC is larger, the entransy dissipation is smaller, and the heat transfer efficiency is higher.     

基于(火积)耗散热阻的换热器网络优化

基于(火积)耗散热阻的概念, 分析了换热器网络中的传热过程, 并结合变频泵的性能分析和管网的阻力分析, 建立了换热器网络中结构参数、运行参数和用户需求之间的直接联系, 完善了换热器网络优化的数学模型。在此基础上, 构建了基于(火积)耗散热阻换热器网络优化的方法。最后以一个典型的有变频水系统的换热器网络为例, 阐释了基于(火积)耗散热阻的换热器网络优化方法。研究结果表明, 在给定换热器网络中各换热器热导的情况下, 通过优化计算可以获得使换热器网络中总泵能耗最小的运行参数。在变工况运行的情况下, 随着换热器网络换热量的增大, 各变频泵的运行参数出现不同程度的增大, 增大的速度与工质的性质和管网的阻力特性等因素有关。     

具有相变的三介质换热器的分析

具有混合能源的暖通空调与制冷（heating, ventilation, air conditioning & refrigerating, HVAC&R）系统通常需要在3种或多种流体之间传递热量。三介质换热器能满足多流体换热需求,在该领域具有应用前景,其优化具有重要意义。对于具有相变的三介质换热器,现有的热阻定义不能很好地发挥作用,而最新提出的理论提供了另一种方法。本文采用分布参数法建立了翅片管三介质换热器的仿真模型,并用实验结果进行了验证。此外,还推导了三介质换热器中基于耗散的的热阻。根据传热量和理论,分析了不同结构和空气流量下的三介质换热器的换热性能。结果表明,采用基于耗散的热阻作为评价标准与采用传热量为评价标准相比,改变管路排布方式获得的优化结果不同,改变管径或风量获得的优化结果相同。以基于耗散的热阻为标准,考虑不同流体侧之间的传热和压降的匹配,以获得最佳的管路排布方式。本文的实验结果有利于制冷空调系统中三介质换热器的优化以及理论新应用领域的拓展。     

基于理论的传热结构拓扑优化

以理论为基础,分析了在含有内热源的二维稳态导热问题中的耗散。并以此为目标函数,通过密度法建立拓扑优化模型并用全局移动渐近线（GCMMA）开展拓扑优化研究。对比分析了以最小耗散以及最小熵产得到的拓扑优化构型在传热性能上的异同。然后,以最小耗散为优化目标,进一步分析了不同高导热材料体积占比下最优传热拓扑结构。结果表明,最小耗散以及最小熵产得到的拓扑优化构型结构相似,均可大幅增加传热性能,系统的平均温度均可降低9℃以上。而对于传热结构来说,综合考虑优化效果以及成本,20%的体积占比是一个较优值,在此占比下,优化后的耗散仅为优化前的8.7%。基于理论的传热结构拓扑研究为肋片的结构设计以及传热强化提供了理论指导。     

三角形微通道内纳米流体流动与换热特性

以去离子水为基液,通过两步法制备出粒子体积分数为0.1%的SiO₂、Al₂O₃、TiO₂纳米流体,并分别在流体内添加一定量的表面活性剂以提高其稳定性。利用紫外分光光度计和热物性分析仪,对3种纳米流体稳定性和热导率进行测试。此外,为研究纳米流体在三角形微通道内的流动与换热特性,利用红外热像仪观察通道底面温度分布。结果表明,表面活性剂会对纳米流体吸光度产生影响,且粒子会随着时间的增加逐渐团聚。纳米颗粒的添加可有效提高工质的热导率并强化对流换热,微通道底面温度明显降低,且均温性得到改善。3种纳米流体中,TiO₂纳米流体呈现出更加良好的导热和换热性能。     

基于(火积)耗散热阻的新型蜂窝板式换热器性能分析

板式换热器在工业生产中广泛应用。基于换热器(火积)耗散热阻理论,采用数值模拟和实验相结合的方法对新型蜂窝板式换热器进行研究。结果表明数值模拟和实验结果在合理的误差范围内,验证了数值模拟的可靠性。新型板式换热器内部蜂窝结构附近的速度场出现规律的周期性变化,流体湍流强度增加,提高了换热效率。新型板式换热器换热量与其(火积)耗散和(火积)耗散热阻呈反比例关系,这为新型蜂窝板式换热器的优化提供了理论依据,并为工业生产提供参考。     

Entransy dissipation analysis of interfacial convection enhancing gas–liquid mass transfer process based on field synergy principle

An exploration of the gas CO2 absorbed into liquid ethanol accompanied with Rayleigh convection is performed by analyzing the mass entransy dissipation; this new statistical quantity is introduced to describe the irreversibility of mass transfer potential capacity. Based on the general advection–diffusion differential equation for an unsteady mass transfer process, the variation of the included angle between the velocity vector and concentration gradient fields is investigated to reveal the underlying mechanism of interfacial convection enhancing mass transfer. Results show some identical characteristics with the qualitative analyses of the synergy effects generated by the concentration and velocity fields after interfacial convection occurring for a boundary condition of fixed surface concentration. And the equivalent mass resistance for convective mass transfer process presents the similar variation with the reciprocal of instantaneous mass transfer coefficient. Accordingly, it is reasonable to be seen that mass transfer dissipation rate could be provided to assess the convection strength and explain fundamentally how Rayleigh convection improves mass transfer performance through establishing a close relationship between the mass transfer capacity and field synergy principle from the view of mass transfer theory.     

新型降温散热纤维——云母冰凉纤维

介绍了云母及其良好的导热、吸水吸附绝缘等性能和云母冰凉纤维的制备工艺流程,重点阐述了云母冰凉纤维的导热、吸水、吸附、绝缘、抗静电和消臭功能,对云母冰凉纤维及其纺织品的开发提出了建议并对其市场前景进行了展望。     

入口位置及角度对微通道散热器内流体流动与传热的影响

为进一步提升等截面微通道热沉的散热性能,本文设计了双进口-单出口型微通道热沉,并采用数值模拟的方法研究了入口上侧边布置、左侧边布置以及不同入口角度时去离子水在微通道热沉内的流动和传热特性。结果表明,进出口布置方式对微散热器内各通道流量分配有很大影响,而流量分配直接影响热沉的温度分布。入口上下侧边布置时流体的分布更加均匀,热沉的热阻和泵功较小。入口角度的减小降低了热沉底面温度,并使底面温度更加均匀。当Re=365时,θ=45°的底面最高温度比θ=90°时降低了1.91℃,但泵功却显著增大。     

基于金字塔形扰动结构的双层梯形微通道热沉传热性能模拟

随着电子器件功率的不断增加,其热流密度也相应提高。良好的热管理是保证电子器件安全平稳运行的重要条件。基于Hosseinpour与Sharma等的研究结果,本文设计了一种金字塔形扰动结构的双层微通道热沉,提高了微通道热沉换热能力。选取去离子水作为换热介质,通过数值模拟的方法建立并分析了基于金字塔形扰动结构的双层梯形微通道热沉模型,得出优化结构尺寸。研究表明,当微通道热沉流体雷诺数在468附近、扰动结构间距在300μm附近、扰动结构底高比在0.6附近时,该微通道热沉具有相比其他工况较优的换热性能;在Re=800的相同条件下,本文与Sharma等的研究结果相比,微通道热沉总热阻降低了26%;与普通双层梯形微通道热沉相比,具有金字塔型扰动结构的双层梯形微通道热沉的强化传热系数PEC为1.28。