壁面加热热流密度对微柱群内部换热特性的影响

采用实验与数值模拟相结合的方法研究去离子水在不同加热热流密度下流过叉排排列微柱群内部时工质热物性对对流换热的影响规律.实验中采用电加热棒对一体化微柱群散热元件进行加热,测得不同加热功率下微柱群内部努塞尔数(Nu);同时建立考虑粗糙度影响的三维数学模型模拟了该实验段在不同热流密度下的温度场与换热特性,并与实验结果进行了对比.研究发现:工质热物性随着温度变化对微柱群换热特性有着较为明显的影响,且数值模拟结果略高于实验值;对流换热系数均随加热热流密度增加而略有增大,且低雷诺数(Re)下该现象更为明显;定义了不同的影响因子来对各热物性参数的影响进行定量分析,发现动力黏度对微柱群内换热特性影响最大,影响因子接近10%.     

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 × 106 W/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。     

微通道热沉几何结构的多参数反问题优化

提出微通道热沉几何结构的多参数反问题优化方法,其正向求解器是微通道热沉三维数值模型,反向求解器为简化的共轭梯度法,分析泵功的变化对热沉几何结构的影响.结果表明,在热沉换热面积和热表面热流密度恒定的条件下,随着泵功的增加,相应的最优热沉几何结构参数随之变化,即最优热沉的流道数和流道高宽比增加,流道比降低;泵功的增加使最优热沉的全局热阻降低,但在高泵功下全局热阻的降低幅度远低于在低泵功下的降低幅度.     

嵌入式微通道传热特性及局部热点尺度效应

通过实验测试结合理论分析,研究嵌入式微通道冷却系统的传热特性及局部热点的尺度效应. 测试芯片加工采用MEMS工艺,微通道层与顶层之间的连接采用硅硅直接键合,芯片与电路板（PCB）之间的连接采用倒装焊接. 研究结果表明,采用嵌入式微通道设计极大地缩短了微芯片到微通道的导热距离,可以显著地减小微芯片到环境的热阻. 根据测试结果可知,在100 W/cm²均匀热流密度的条件下,使用6.84 mW/cm²的泵功,可以将模拟IC热源的温升控制到小于40 K,能效比超过14 000. 在非均匀热流密度的条件下,局部热点的存在会增大导热热阻在总热阻中的占比,局部热点尺度越小,热点附近的侧向热传导越严重,导热热阻越大,这减小了对流换热热阻在热点区域总热阻中的占比,使得增大对流换热系数带来的总热阻降低效果减弱.     

变加热功率下不同形状微肋阵热沉内的对流换热

为探索变加热功率下微肋阵热沉内的对流换热规律,采用精密机械加工获得圆形、菱形和三角形微肋阵热沉,建立一体式加热试验系统,测试了微肋阵热沉的压力降、流动阻力系数、热阻等对流换热参数,研究Re为0~1 000时微肋阵内阻力及对流换热受加热功率的影响规律。研究结果表明,微肋阵内阻力系数先随加热功率增加而增大,圆形和菱形截面微肋阵中该现象在Re>400时消失,而三角形微肋阵在Re>250时消失。加热功率的增加强化了圆形和菱形截面微肋阵内的对流换热,三角形微肋阵的Nu在Re<250时随加热功率的增加而增大,当Re>250后则有所降低;加热功率对于圆形和菱形微肋阵热沉热阻的影响在Re<600时较为明显,而对于三角形微肋阵当Re>250后加热功率对于热阻的影响基本可以忽略。     

单面加热微细窄通道内过冷沸腾的传热特性

以去离子水为工质,对大宽高比、小长径比的单面加热微细窄通道(W=5.01mm,H=0.52mm)内的过冷流动沸腾进行实验研究.结合高速摄像,探讨热流密度、质量流速和通道方向对换热系数、压降和流型的影响.结果表明,竖直通道内的沸腾流型随时间变化,主要为孤立泡状流.当热流较高时,孤立汽泡的生长或互相融合可以形成拉长汽泡.在较高流速(300和400kg/(m2·s))下,拉长汽泡在惯性力作用下迅速离开加热段;在低流速(200kg/(m2·s))下,拉长汽泡向上游扩张,在整个加热段上引发短时薄液膜蒸发过程,并伴随局部干涸和重新润湿的现象,同时换热系数显著高于较高流速下.相对于竖直通道,水平通道内在较低热流下被大量汽泡占据,形成较早的干涸,压降和壁温均出现较大的波动.     

水平管道过冷沸腾换热的非稳态数值计算

为研究循环式冷却系中涉及的过冷沸腾流动传热特性,基于VOF多相流模型和Lee相变模型对一水平管道中的过冷流动沸腾过程进行非稳态数值计算。考虑到沸腾起始点的影响,在Lee模型的基础上引入Bergles提出的沸腾起始点关联式以对其进行修正。从热边界层发展和沸腾阶段的发展两方面分析水平管道过冷沸腾换热过程中的流动换热特性及其波动规律,总结了不同热流密度工况下相关参数的分布关系以及对流换热系数沿流动方向的分布规律。结果表明：热边界层的发展和沸腾不断加剧使得流场的不稳定性增加,加热区域后部对流换热系数的波动幅值是入口附近的2倍;热流密度的增加使得流动和换热参数沿流动方向的变化速度加快,热流密度为250 kW/m²工况下,热边界层发展所影响区域约为150 kW/m²工况下的60%;热边界层的发展使得加热段前部的对流换热系数呈现前高后低的特点。当受热区域热流密度较大时,换热设备可以通过减小换热通道长度的方式,在提升换热效率同时减小沸腾带来的换热系数波动的影响。     

含内热源堆积球床对流换热特性的实验研究

为了研究含内热源球床通道内的换热特性,采用直径为8 mm表面氧化碳钢球堆积形成球床,并采用电磁感应加热方式对球床进行整体加热.研究了球床通道内部的功率分布情况和换热系数随热流密度、工质Re的变化规律;并且根据实验数据拟合得到了球床通道内换热系数的无量纲准则关联式,拟合结果与实验结果的偏差在7％以内,符合良好.     

超临界二氧化碳细管内流动与换热特性分析研究

对超临界压力下二氧化碳在水平管内的对流换热进行了模拟研究,分析了热流密度、壁面温度、质量流量以及压力等对二氧化碳对流换热的影响.结果表明:热流密度和壁面温度对换热系数的影响相对较小,质量流量和压力的影响较为显著,质量流量升高,传热系数有明显提高,压力越接近二氧化碳的临界压力,传热系数在临界点附近的变化越明显,峰值越高.     

高温介质短管耦合换热中的热流分布与辐射作用

通过数值模拟短管内常物性高温介质的辐射与对流耦合换热，研究了壁面热流及介质内的热流分布特征，考察了介质辐射作用对热流分布的影响，管内流动为层流正在发展流，介质为吸收发射性灰介质，换热与流动同时发展，采用离散坐标法求解圆柱坐标系下的辐射传递方程，以获得辐射换热项，并将该项作为耦合换热能量方程的源项处理，采用控制容积法离散能量方程和N－S方程，并用SIMPLEC算法进行失代求解，结果表明，高温介质辐射不仅对壁面热流和局面努谢尔数分布有重要影响，而且使介质内径向热流分布发生较大改变。     

SiC-水纳米流体在微小通道中的流动和换热特性

为了解决传统换热工质导热系数和传热性能不高的问题,以Si C-水纳米流体为工质,研究了不同体积分数(0.001%、0.005%、0.01%、0.1%、1%)的Si C-水纳米流体在多孔微通道平行流扁管中的单相流动和换热特性.该扁管矩形通道的水力直径为2.08 mm,实验Re大约为150~5 200.研究结果表明:随着体积分数的增加,纳米流体的Nu呈现先增长后下降的趋势;体积分数为0.01%的Si C-水纳米流体在Re≈5 200时,Nu增长最大,增长率达到80.8%;纳米流体起到强化换热效果的同时,伴随着阻力增加.     

竖直圆管内超临界压力低温甲烷传热的数值研究

为了降低超临界压力甲烷管内对流换热的热阻,提高传热过程的稳定性,对竖直管内超临界甲烷的流动与传热过程进行了数值研究,讨论了热流密度、流动方向对流动换热特性的影响,研究了流场、温度场和湍动能变化对传热不稳定性的影响。结果表明,竖直管内超临界甲烷的传热存在不稳定传热现象,在高热流密度下,管内壁温度和平均温度具有不稳定性,在传热恶化区间震荡;在低热流密度下,局部对流传热系数具有不稳定性,在传热恶化区间震荡;在相同的热流密度下,向上流动时的传热不稳定性大于向下流动时的传热不稳定性,是由于向上流动的热影响大于向下流动的热影响,产生的类气膜是传热不稳定的主要因素。     

Numerical study on convective heat transfer of supercritical CO2 in vertically upward and downward tubes

The experimental measurement of supercritical pressure carbon dioxide(sCO_2) heat transfer in vertical downward flow was performed in a circular tube with inner diameter of 10 mm. Then, a three-dimensional numerical investigation of sCO_2 heat transfer in upward and downward flows was performed in a vertical heated circular tube. The influence of heat flux, mass flux,and operating pressure on heat transfer under different flow directions were discussed. According to the "pseudo-phase transition" viewpoint to supercritical fluids, the analogy to the subcritical inverted-annular film boiling model, the physical model to sCO_2 heat transfer was established, where fluid region at the cross-section of circular tube was divided into gas-like region covering heated wall and core liquid-like phase region. Then, the thermal resistance mechanism which comprehensively reflected the effect of multiple factors including the thickness of the gas-like film or liquid-like region, fluid properties and turbulence on heat diffusion was proposed. Surprisingly, thermal resistance variation in upward flow is well identical with that of wall temperature and heat transfer deterioration is predicted successfully. In addition, compared with thermal resistance in the core liquid-like region, gas-like film formation is determined to be the primary factor affecting heat transfer behavior. Results also show that total thermal resistance in upward flow is always larger than that in downward flow. The investigation can provide valuable guide to design and optimize sCO_2 heaters.     

Fluid flow and heat transfer characteristics of spiral coiled tube: Effects of Reynolds number and curvature ratio

Numerical analysis was performed to investigate flow and heat transfer characteristics in spiral coiled tube heat exchanger. Radius of curvature of the spiral coiled tube was gradually increased as total rotating angle reached 12π. As the varying radius of curvature became a dominant flow parameter, three-dimensional flow analysis was performed to this flow together with different Reynolds numbers while constant wall heat flux condition was set in thermal field. From the analysis, centrifugal force due to curvature effect is found to have significant role in behavior of pressure drop and heat transfer. The centrifugal force enhances pressure drop and heat transfer to have generally higher values in the spiral coiled tube than those in the straight tube. Even then, friction factor and Nusselt number are found to follow the proportionality with square root of the Dean number. Individual effect of flow parameters of Reynolds number and curvature ratio was investigated and effect of Reynolds number is found to be stronger than that of curvature effect.     

二元熔盐在螺旋槽管内流动和传热特性数值模拟

为探索数值模拟方法预测二元熔盐在螺旋槽管内的流动和传热特性研究中的可行性,使用Ansys软件对熔盐在不同几何参数的螺旋槽管内的流动和传热特性进行数值模拟。采用半周加热,研究在不同工况下熔盐入口温度和热流密度变化时熔盐的流动和传热特性。通过数值模拟得到了熔盐在螺旋槽管内的流动速度分布云图和矢量图,得到了熔盐在管道出口温度分布云图,并计算得到熔盐在管内的Nu-Re变化曲线。结果表明,熔盐管内流速呈现周期性变化,同时产生二次环流流动。熔盐在螺旋槽管内的传热Nu数和Re数的变化趋势一致,出口温度分布不均匀性较小。随着螺旋槽管槽深的增大,对熔盐的传热效果也相应提高。熔盐入口温度越高,螺旋槽管内熔盐的传热效果越好。     

微钢管轴向导热对对流换热的影响

以氮气为工质,流过内径为168μm、外径406μm微钢管,采用直接通电法进行加热,并使用红外成像仪加红外专用放大镜头测量了在恒定的流量下、不同加热功率以及相同加热功率、不同流量下的微钢管壁面的温度场,获得精确的微管外壁温度分布,同时测量了氮气的进出口温度和流量.根据实验结果分析了微管轴向导热对管内部对流换热的影响.研究表明,在氮气为工质下,微钢管轴向导热导致内部换热的减弱,减少量超过总对流换热量的2%.     

波纹管传热性能与污垢特性实验

采用污垢热阻动态试验法对波纹管和光管的流动阻力、污垢性能和传热性能进行实验研究,用氯化钙和碳酸钠配制硬度为800mg/L的硬水,在流速为0.25m/s,水浴温度为60℃的条件下,对两者析晶污垢进行了对比实验.两套实验系统都在一个恒温水浴内,设备系统的主体用两根管模拟换热器,一根为光管,另一根为波纹管.实验中,水泵将工作介质由低位水箱送至高位水箱,高位水箱向实验管分别同时提供水源,通过溢流式水位调节器保持恒定的水位.结果表明,波纹管具有良好的抗垢性能,表现出诱导期长、结构速率慢、污垢热阻小等优点;其平均传热系数都大于光管,表现出了良好的强化传热特性.