方肋微通道内流动沸腾的气泡动态与传热特性分析

为揭示方肋微通道热沉内流动沸腾的传热传质机理,本文基于耦合VOF方法与“饱和界面”相变模型对微通道内单个气泡绕流加热方肋的传热传质过程进行了数值研究。通过分析该过程中气泡增长速率与方肋壁面传热系数的变化,重点讨论了初始气泡体积和入口雷诺数Re对相变传热效率和流动结构的影响。结果表明：在气泡流经加热方肋过程中,气泡与方肋表面之间形成一层薄液膜,该薄液膜的相变蒸发极大强化方肋表面的换热效果,换热系数较相同条件下的单相流动提升6倍以上。此外液膜厚度随Re增大而变厚,液膜热阻相应增大,液膜蒸发对换热的促进作用随Re增大而降低。最后考察了气泡体积对方肋壁面换热的影响,结果表明：初始体积大的气泡具有更薄的液膜厚度及更大的蒸发面积,表现出更高的相变传热效率;而小气泡对壁面温度影响较小。     

结构参数对烧结微通道流动沸腾性能的影响

微通道沸腾冷却在电子器件方面的应用近年备受关注。将多孔烧结微通道作为微电子器件的有效冷却方案进行了流动沸腾传热性能的实验研究,重点围绕热通量和通道宽度对流动沸腾特性的影响。烧结微通道采用铜粉加压烧结的方法,使用150μm树枝状铜粉进行烧结,制备了三种通道宽度分别为1.8、0.6和0.2 mm的并联微通道,对应的槽数分别为11、22和33槽。研究发现:存在最优通道宽度,其综合沸腾换热效果达到最优。在4 L/h流量下,中等宽度样品最高传热系数可达200 kW/(m²·K),临界热通量可达到170 W/cm²左右。可视化研究发现:通道宽度对压力脉动曲线会造成很大影响,适中的通道宽度压力脉动曲线更为有序,大大缓解压力脉动从而提升微通道的沸腾换热性能。     

连通微通道内过冷流动沸腾传热强化机理分析

连通微通道（平行主通道由支流通道连通）流动沸腾传热具有优越的换热性能,但其传热传质强化机理尚不够明确,限制了其实际应用。鉴于此,本文基于流体体积函数（VOF）方法,对连通微通道内过冷流动沸腾进行二维非稳态数值模拟,研究了流场扰动、脱落汽泡与壁面间的薄液膜分布对微通道当地传热系数的影响规律。结果表明,连通微通道存在两种强化换热机理：支流通道脱落汽泡可增强主通道流场扰动,进而促进了通道热边界层再发展;脱落汽泡与热壁面间可形成薄液膜,该薄液膜减小了换热热阻。同时研究了支流通道倾角（θ）对连通微通道强化换热的影响,结果发现,不同θ时,连通微通道整体平均传热系数提高10.51%~17.66%,单个主通道平均传热系数最高可提升27.94%,且θ=45°时连通微通道具有最佳换热特性。该研究有望为芯片高效冷却结构的设计提供指导。     

负压状态窄缝通道乙二醇水溶液传热特性

高效、紧凑的换热方式需求日益增大,具有高度方向速度梯度大的窄缝通道成为最有前景的方式之一。本文以质量分数为55%的乙二醇水溶液为工质,针对钛窄缝通道在负压工况进行流动沸腾换热实验。实验在质量流率750～2000kg/(m²·s)、饱和温度为80～90℃、入口温度60～70℃的条件下进行。结果表明,钛需要更高的热流密度激活大量成核点,从而其过冷沸腾起始点(ONB)前后平均换热系数h基本不变;质量流量对于ONB和沸腾充分发展阶段的平均换热系数影响很大;在高过冷度时,沸腾充分发展阶段,钛窄缝通道换热性能对于入口温度不敏感;提高进口温度降低过冷度可以极大提高平均换热系数,70℃条件下平均换热系数在沸腾充分发展阶段可以提高65%;背压对于换热性能的影响主要在沸腾充分发展阶段,背压越低平均换热系数越大。     

微通道蒸发器优化两相制冷剂分配及沸腾传热研究进展

微通道蒸发器由于低充灌量、高换热性能、低成本等优点在制冷系统得以广泛应用。微通道蒸发器性能的进一步提升有助于降低制冷剂充灌量、增加微通道换热器的紧凑性。微通道蒸发器主要由集管和微通道扁管组成,优化集管内两相制冷剂分配和强化微通道扁管内流动沸腾,可有效实现微通道蒸发器整体性能提升。本文首先阐明了影响集管内两相分配的因素和微通道扁管内流动沸腾特性,然后概括了提升两相制冷剂的分配方案和强化流动沸腾的措施,最后对提升微通道蒸发器性能的方法做出进一步展望。     

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.     

微小通道内过冷流动沸腾阻力特性实验及预测研究

实验探究了微小圆管内(内径1 mm)过冷水流动沸腾的阻力特性,参数范围：热通量4.0～5.6 MW/m²,压力3.0～5.0 MPa,质量流速2000～4200 kg/(m² s),进口热力学干度-0.50～-0.10。获取了质量流速、压力、热通量等参数对过冷沸腾阻力的影响,并重点关注其预测方法。将测试数据与典型阻力关联式对比,结果表明,由于高热流、微通道等特殊因素,导致大部分阻力关联式的预测精度不够理想。为更准确预测高热流过冷沸腾阻力,基于LeakyReLU函数,建立了遗传算法优化的极限学习机模型(GA-ELM),其预测精度优于传统关联式(平均绝对误差为2.0%),且泛化性良好。研究工作可为微小尺度流动换热系统设计优化提供支撑。     

螺旋通道内流动沸腾传热研究进展

螺旋通道因其优越的传热性能在强化传热领域有着重要的应用。近年来,高热流密度下设备的散热问题严重制约着先进技术的高速发展,传统螺旋通道单相强化传热技术已难以满足如此高的散热要求。由此,学者们开始探索以螺旋通道和流动沸腾传热相结合的复合强化传热技术。但由于螺旋通道特有的结构导致管内工质会受离心力的影响产生二次流,使得流动沸腾的情况较直通道更复杂,因此许多学者研究螺旋通道流动沸腾传热得出的结论并不一致。本文主要综述了近年来常规和微细尺度螺旋通道内流动沸腾的研究进展,阐述和分析了质量流率、干度、压力等参数对螺旋通道传热系数及临界工况的影响。指出了实验工况及螺旋通道结构的不同可能是导致结果存在分歧的主要原因,重点归纳了研究者根据实验结果拟合得到的流动沸腾传热实验关联式,并对经典直通道及螺旋通道沸腾传热关联式用于预测螺旋通道沸腾传热系数时的优缺点给予评价,指出今后螺旋通道内流动沸腾流传热的研究方向。     

颗粒多孔表面强化沸腾传热动力学研究

通过对颗粒多孔层几何结构、沸腾两相流及传热的理论分析，提出了微型通道薄膜环状蒸发物理模型和沸腾传热机理，建立了颗粒多孔表面强化沸腾传热动力学模型。该动力学模型与实验数据吻合良好，可用于工程设计。     

烧结型多孔表面管外池沸腾传热特性

实验研究了热通量为0.1~160 kW·m^-2时,去离子水在光管及烧结型多孔表面管管外的池沸腾传热特性,分析了换热管布置方式(垂直与水平)、管径大小(20、25和32 mm)与多孔层颗粒尺寸(30~105 μm)对池沸腾传热特性的影响规律。结果表明:去离子水在多孔管表面的起始沸腾过热度小于光管,比光管低3 K左右;多孔表面管可明显强化核态沸腾传热,其沸腾传热系数可达光管的3~4.5倍;大热通量下,换热管水平布置时的传热效果较垂直布置佳,且布置方式对多孔管换热效果的影响比对光管的影响小;随管径增大,光管与多孔表面管的沸腾传热系数降低;大颗粒尺寸多孔层的强化效果优于小颗粒尺寸多孔层。     

水平管内R1234yf的流动沸腾换热特性

通过实验研究了环境友好型制冷剂R1234yf在内径为0.5mm的水平圆形微通道内的流动沸腾换热特性,测量了不同工况下R1234yf的沸腾换热系数（HTC）,并与传统制冷剂R134a进行了对比,分析了质量流速、热流密度和干度对换热系数变化规律的影响。实验条件为：饱和温度(17±1)℃,质量流速1000～2500kg/(m2·s),热流密度25～143kW/m2。实验结果表明：R1234yf的换热系数随着热流密度的增大而显著增大,而质量流速和干度的影响较小,核态沸腾为其主导换热机制。对比R1234yf和R134a在相同工况下的换热特性,发现两种工质的平均换热系数差别较小,并均随着热流密度增大而逐渐增加,但是R1234yf发生干涸（Dryout）时的热流密度小于R134a。将实验数据与已有文献中的核沸腾主导的经验关联式的预测结果进行了对比,得到了较好的吻合。     

微通道内非共沸混合制冷剂的流动沸腾特性

采用了3种不同组分比例的R32/R134a工质在0.86 mm的微通道中进行了传热特性和阻力特性的实验研究,考察了非共沸工质不同组分比例对微通道换热特性的影响。实验结果表明:在组分质量分数比为35%/65%时,核态沸腾在小干度下换热效果最好;干度较大时,组分比例对换热的影响效果降低。在大质量流量下传热阻力效应的影响不再明显。在压降方面,组分比为15%/85%的相对压降最大,其它两种组分的压降较小。     

水基SiO2纳米流体沸腾换热特性

纳米流体作为新型换热介质可广泛应用于多个领域。现有研究结果表明导致纳米流体沸腾换热性能变化的因素主要在于纳米颗粒在换热表面的沉积、加热表面粗糙度、表面张力、内部能量传递、气泡形成条件等。对水基SiO₂纳米流体进行池沸腾实验研究,得到SiO₂/水纳米流体与纯基液-去离子水核态沸腾换热特性的区别,比较不同颗粒粒径对纳米流体换热特性影响。结果表明：对于低浓度纳米流体,添加纳米颗粒后流体的换热特性与纯基液在相同条件下进行核态沸腾时的换热特性有较大差异,不同粒径之间换热特性变化明显,随着粒径的增加呈非线性增长趋势,随着热通量增大纳米颗粒粒径对换热特性的影响趋势增大。     

3种管内强化管沸腾换热性能对比

对3种不同螺纹结构的强化管的管内沸腾换热性能进行对比实验研究, 采用R22为实验工质。3种强化管的内径和外径相同, 分别为6.9 mm和7.92 mm;管外均为光滑表面, 管内的强化结构参数则不同:螺纹的螺旋角变化范围为14°~18°, 螺纹高为0.15~0.22 mm, 螺纹槽宽度为0.1~0.2 mm。在给定进口和出口制冷剂的状态下, 通过改变管内工质的质量流速, 测试3根强化管的换热特性与质量流速的关系, 并进行性能对比。实验结果表明:3种螺纹管管内沸腾传热系数分别比光管高出60%~80%, 80%~120%和80%。分析认为, 当流动处于层状流或者层状流与环状流的过渡区时, 较大的螺旋角有利于换热;当流体处于环状流时, 较多的螺纹头数有利于换热。     

铜基正弦波微通道内流动沸腾传热特性试验研究

基于超快激光技术加工铜基正弦波弯曲型微通道,以去离子水为流动工质,在不同质量流量和热通量条件下,对弯曲型微通道内流动沸腾特性进行试验研究。基于温度/压力数据和流动可视化结果,发现通道传热系数随出口干度增大,呈迅速增大后减小并趋于稳定趋势,正弦波微通道相较直微通道具有更好的换热性能,传热系数最大提高127.7%,压降仅增加14.4%。波状通道结构能明显抑制流动沸腾中不稳定现象发生。通过可视化试验发现,随热通量增大,流型经历泡状流-弹状流-环状流的转变,换热主导机制由核态沸腾逐渐过渡到薄液膜蒸发。     

溴化锂制冷蒸发器中钛椭圆管外降膜流动及传热特性

为了提高溴化锂中央空调系统中制冷蒸发器的耐腐蚀性,采用钛管代替铜管,并提出椭圆管代替圆管方式提高钛管外制冷剂蒸发效率,数值模拟研究椭圆系数E对椭圆钛管外制冷剂流动过程、液膜厚度分布及传热系数影响规律.结果 表明:在椭圆系数E=l.0～1.7范围内,随着E增大,管外液膜平均厚度减薄、液膜速度增大、干壁面积减少、传热边界层...     

垂直多孔表面管内高沸点工质强化流动沸腾换热的数值分析

在对流动特性和换热机理进行分析的基础上,建立了垂直多孔表面管内高沸点工质强化流动沸腾换热的数学模型和数值计算方法.该模型认为环状流区域同时存在强制对流与核态沸腾两种换热方式.液膜厚度、速度与温度等参数通过求解液膜的质量守恒、动量守恒、能量守恒方程获得.核态沸腾换热则包括气泡脱离带走的热量及用于加热气化核心影响区流入液体的热量两部分.提出了流动沸腾情况下的多孔层气泡脱离直径及气化核心密度计算方法.对异丙苯在火焰喷涂型垂直多孔表面管内向上流动时的沸腾换热进行了数值预测,大部分工况的计算值与实验结果符合良好.在低干度区(x=0.1),核态沸腾在总换热中的比例约为50%.随着干度的增加,核态沸腾受到越来越大的抑制,当x为0.5时,这一比例降低到约15％.     

Bubble breakup and boiling heat transfer in Y-shaped bifurcating microchannels

Three-dimensional simulations are performed to study the bubble breakup and boiling heat transfer in Y-shaped bifurcating microchannels with different heat fluxes and bifurcating angles. Results show that the breakup regime for continuously growing bubble changes from tunnel breakup to obstructed breakup as the heat flux increases. Interestingly, the pinch-off stage of bubble breakup becomes inconspicuous in small acute-angle bifurcating microchannel. The flow structure changes from smooth mode to twining mode as the bifurcating angle increases. The bubble transit leads to the shrink or disappearance of vortex. The heat transfer is tightly associated with bubble dynamics. The negative heat transfer enhancement is observed at low heat flux and it is eliminated at high heat flux. The heat transfer is enhanced with the increase in heat flux, while the effect of bifurcating angle is relatively complex. The present study provides new insights into the two-phase flow in bifurcating structures.     

Boiling local heat transfer enhancement in minichannels using nanofluids

This paper reports an experimental study on nanofluid convective boiling heat transfer in parallel rectangular minichannels of 800 μm hydraulic diameter. Experiments are conducted with pure water and silver nanoparticles suspended in water base fluid. Two small volume fractions of silver nanoparticles suspended in water are tested: 0.000237% and 0.000475%. The experimental results show that the local heat transfer coefficient, local heat flux, and local wall temperature are affected by silver nanoparticle concentration in water base fluid. In addition, different correlations established for boiling flow heat transfer in minichannels or macrochannels are evaluated. It is found that the correlation of Kandlikar and Balasubramanian is the closest to the water boiling heat transfer results. The boiling local heat transfer enhancement by adding silver nanoparticles in base fluid is not uniform along the channel flow. Better performances and highest effect of nanoparticle concentration on the heat transfer are obtained at the minichannels entrance.