电场对竖直微槽润湿及毛细流动特性影响

竖直微槽群毛细结构广泛应用在重力热管、蒸发器等散热设备内,但受重力等因素影响易达到毛细极限。引入电场的主动强化方式来提高竖直微槽的毛细极限,并通过实验和建立数学模型研究电场对竖直微槽内液体润湿及毛细流动特性的影响。结果表明,电场可以提高竖直微槽内液体润湿高度,当电场为5.0 kV时与无电场时相比,润湿高度强化比可达到30.0%。同时,电场作用下流体在微槽道内的毛细润湿流动呈分段效应：润湿流动初期,润湿高度与时间的1/2次方呈线性关系,即h-t^1/2,润湿速率与润湿高度的倒数呈线性关系,即v-1/h;润湿流动中后期,润湿高度与时间的1/3次方呈线性关系,即h-t^1/3,润湿速率与润湿高度平方的倒数呈线性关系,即v-1/h²,且润湿速率随时间呈下降趋势。     

电场对竖直矩形微槽群润湿及表面温度的影响

微槽群在热流密度较大时会达到其毛细极限,可通过主动换热方式之一——电水动力学效应对其进行强化。本文为了研究电场对微槽群表面润湿特性和温度分布的影响,采用平板电极提供电场,蒸馏水作为工质,使用高速相机拍摄微槽内液体润湿长度,测量误差为2.97%～7.46%;使用红外热像仪拍摄电场作用下微槽群表面温度分布,测量误差为2.1%～2.39%。热流密度测量误差范围是9.66%～11.11%。结果表明：电场通过驱动微槽内流体向加热区域流动而提升其润湿性能,且较低热流密度下提升更好。因润湿性能的提升,微槽表面温度得以下降。随着电场增强,微槽横向温度分布的“波峰”、“波谷”差别加大,微槽纵向温度明显降低。当热流密度加大时,温降更为显著,1.4W/cm²热流密度、6kV电压下温降可达到30℃以上。温降的增加反映了电场对微槽的强化润湿进一步提升了微槽换热性能,且电场对较高热流情形下的微槽换热有着更为显著的强化效果。     

电场作用下矩形微槽群润湿特性数值分析

以预测电场作用下竖直矩形微槽群热沉内液体润湿特性为目的,基于自适应理论,建立一维轴向模型,研究了电场强度、热通量以及微槽尺寸对润湿特性的影响。结果表明：电场作用下润湿长度随热通量增加逐渐降低。当热通量较低时,电场强度对润湿长度的强化较大,但随着热通量的增大强化程度减弱。电场强度对矩形微槽群热沉适应长度的强化较小,而对于边角流动区域长度的强化较为显著。电场作用下润湿长度随槽深和槽宽的增加分别呈增加和下降的趋势。与较小槽深槽宽相比,当槽尺寸较大时,电场强度对微槽内液体润湿强化更为显著。     

竖直毛细微槽群热沉中蒸发液体的干涸特性

利用宽视场体视显微镜和CCD摄像系统对纯蒸发换热情形下竖直放置的矩形毛细微槽群热沉中的液体沿微槽槽道方向的流动情况和干涸点高度（润湿高度）进行了观察测量,并对微槽几何尺寸、工质等因素对润湿高度的影响进行了实验研究。实验结果表明：纯蒸发情形下的液体润湿高度随着输入加热功率的增加而陡降;一定热负荷下,微槽较深、较窄以及微槽群密度较大时液体的润湿高度较高;甲醇和乙醇在较低输入加热功率条件下的润湿能力要强于蒸馏水;竖直毛细微槽中液体的润湿特性受重力的影响严重。     

电场强化微槽道结构毛细芯蒸发器的传热特性

该实验以R141b作为工质,采用圆柱形电极,在不同运行压力条件下,实验研究了电场强度对微槽道结构换热表面蒸发/沸腾传热特性的影响。实验结果表明:随着电场强度的增加,传热强化效果越明显;运行压力对强化换热的效果具有重要的影响,在施加相同电场强度的条件下,不同运行压力的强化传热效果明显不同,传热系数最大可强化为未施加电场条件下传热系数的1.28倍。     

电场强化微槽道结构毛细芯蒸发器的传热特性

该实验以R141b作为工质,采用圆柱形电极,在不同运行压力条件下,实验研究了电场强度对微槽道结构换热表面蒸发/沸腾传热特性的影响。实验结果表明：随着电场强度的增加,传热强化效果越明显;运行压力对强化换热的效果具有重要的影响,在施加相同电场强度的条件下,不同运行压力的强化传热效果明显不同,传热系数最大可强化为未施加电场条件下传热系数的1.28倍。     

微通道内表面性质对其内流体流动特性的影响

通过对玻璃微通道内壁表面进行羟基化处理、溶胶-凝胶法纳米SiO2颗粒沉积以及疏水分子自组装等改性处理,制备得到了具有不同内壁表面润湿性和粗糙度的微通道;系统研究了微通道内表面性质对其内流体流动特性的影响。结果表明,在微通道内表面浸润性相同(同为亲水或疏水)时,粗糙表面会比光滑表面给微通道内的流体流动带来更大的阻力,而且流体流动推动力越大时其影响越大;当微通道内表面粗糙度相同时,亲水表面会比疏水表面给微通道内的流体流动带来更大的阻力,而且流体流动推动力越大时其影响越显著;相比之下,微通道内表面浸润性对其内流体流动的影响比其粗糙度的影响更大。研究结果可以为微流动系统或微流体机械的设计和应用提供指导。     

微槽道内流动沸腾的流阻特性研究

研究了去离子水在3种规格矩形微槽内竖直向上流动沸腾的流阻特性,着重考察了出口干度、质量流速、进口过冷度和微槽尺寸对沸腾流动压降的影响.试验结果表明,两相摩擦压降随出口干度增大而增大,在相同出口干度下,入口质量流速越大摩擦压降越大,摩擦压降与入口过冷度无关;随着微槽道尺寸减小,摩擦压降增大.     

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.     

非共沸混合物微通道内流动沸腾特性

引言 近30年来,工程技术的发展正朝微型化迈进,微型结构冷却技术在微电子、航天航空、生物医药和微型换热器等高新技术领域得到越来越多应用,由于沸腾换热是一种高强度的换热方式,微型通道内的流动沸腾换热特征的研究变得越来越重要.     

基于框架设计的液流电池流场优化模拟研究

液流电池通常采用对角平推流流场,会形成电解液滞留区,造成电池局部浓差极化大,影响综合性能。鉴于此,提出了一种基于框架设计的流场优化方法,通过设计电极框架,可以得到“蛇形流道”和“平行流道”两类流场。以全钒液流电池为例,通过数学建模,研究了不同流场结构和参数对于多孔电极内电解液流动特性、电化学反应和温度变化特性的影响规律。计算结果与实验结果一致性良好,结果表明：电解液在“平行流场”内的流动均匀性比在“蛇形流场”内好,且不存在滞留区,同时在“平行流场”内浓差极化也较“蛇形流场”低;此外,对于同样的电极面积,在电极内部的“平行流道”越多,电解液的流速分布越均匀,反应特性越好。     

基于微观粒子图像测速法的微肋阵通道内流场特性研究

采用微观粒子图像测速法（Micro-PIV）,实验研究了Reynolds数（Re）=50～800范围内去离子水在微肋直径D=0.4 mm微肋阵内的绕流流场特性,获得了不同Re下错排和顺排微肋阵内的流线分布与速度场,分析了Re与微肋排布方式对旋涡结构、流速分布等流场特性的影响规律。研究结果表明,在Re=50～700范围内,错排和顺排微肋阵内均出现涡结构,当Re=800时错排微肋阵内开始发生旋涡脱落;错排微肋阵内旋涡长度随着Re的增大而增加,而对于顺排微肋阵,在低Re时旋涡长度随着Re的增大而增加,当Re≥300后,旋涡长度保持微肋间距不再增加;顺排微肋阵内主流区顺流速度较错排微肋阵大,而错排微肋阵内横向速度大于顺排微肋阵且最大值比顺排微肋阵高约25%,微肋错排布置增强了流体的掺混。     

壁面润湿性对微通道内Taylor流动特性的影响

壁面润湿性不仅影响着Taylor气泡的形状,同时对通道内流体流动、相变换热等有着关键的作用。采用VOF模型对T型微通道内气液两相Taylor流动进行三维数值模拟,重点研究了接触角改变对Taylor气泡流体动力学特性的影响。模拟结果与他人实验数据对比基本吻合,验证了模型的有效性。结果表明：随着接触角增大,气泡周围液含量逐渐降低,相界面也由外凸形变为内凹形。壁面越接近润湿（或疏水）状态,气液接触面的曲率就越大;当120°≤θ≤150°时Taylor气泡稳定性变差。当θ≥150°时“拖曳流态”出现,分析指出在大接触角下气体更易贴附壁面导致接触区内流场发生变化,形成的涡流减弱了水对气相的水平剪切作用,进而引起流型转变。接触角对通道内压力有着重要影响,通道中心轴向压力曲线以θ=90°为过渡,润湿状态下呈凸函数递减且p _G>p _L,疏水状态下气液进口处的压力分配改变,曲线趋势相反。     

正弦型微通道内液-液两相流型及流动特性实验研究

采用实验的方法对不混溶的液液两相流体在不同入口结构下的正弦微通道(直通道正弦、波峰正弦和波中正弦)内液滴的流动特性进行了分析。硅油作为离散相,含有0.5% SDS的蒸馏水作为连续相,观测到弹状流、滴状流和射状流。分析了两相流动参数及不同的微通道入口结构对流型和液滴长度的影响。流型受微通道入口结构影响较大,波峰正弦微通道能够生成最大范围的稳定的流型。液滴长度随离散相体积流量和离散相与连续相体积流量之比的增大而增大,随连续相的体积流量和毛细数的增大而降低。微通道入口结构对液滴长度有影响,直通道的正弦微通道内液滴长度最短,更有利于液滴的形成。三种通道生成的液滴中,最大的液滴尺寸是最小的液滴尺寸的1.15~1.39倍,但正弦流动段对液滴速度几乎没有影响。     

0.5 mm毛细管内气-液Taylor流动换热数值研究

采用移动计算域方法研究0.5 mm毛细管内充分发展的气液Taylor流动换热特性,分析了Taylor气泡的形状、压降与换热特性。结果表明,随着入口Reynolds数Re的增大,气泡尾部的不稳定区域增大,液膜厚度逐渐增大,气泡长度变长;随着气泡体积分数ξ_g的增大,气泡形状基本不变而长度逐渐增大。阻力因子f随Re、ξ_g增大而降低,两相阻力系数高于单相的情况。平均Nusselt数Nu_tp随Re增大而增大,增大趋势逐渐降低;随ξ_g增大而线性降低。Taylor流的Nu_tp为单相的1.2～3倍,强化换热效果。