螺旋曲面三维肋强化传热的数值模拟研究

利用计算流体力学软件Fluent6.3研究普通直型三维肋和螺旋曲面三维肋分别用于矩形流体通道的流动换热特性,分析两者在雷诺数Re为2000～10000、迎流攻角β均为45°时的传热与阻力特性。研究结果表明:矩形流体通道内加螺旋曲面三维肋时平均努赛尔数Nu和平均阻力系数f皆大于普通直型三维肋,并随着Re的增大而增大。同时,利用综合评价准则数G对其传热进行综合判定,G值大于1。螺旋曲面三维肋的综合性能优于普通直型三维肋。     

基于混沌混合的分合式微混合器研究

按照混沌混合理论构建了Smale、Helical和Baker三种微混合器,为研究其混合机理与混合效果,对不同雷诺数下的对流扩散和混合进行了数值模拟,并用实验结果进行了验证。结果发现：实验结果与数值模拟结果吻合得很好。在低雷诺数下,由于Baker微混合器中流体的分层作用强,明显增大了流体的接触面积,也加快了流体混合速度,其混合效果要明显优于另外两种混合器;然而,在较大的雷诺数下,Smale微混合器中流体混合效果则优于Baker微混合器,其原因是Smale微混合器的分层效果虽然不如Baker微混合器,但其对流作用明显强于Baker微混合器;Helical微混合器因没有分层作用,其混合主要依赖于对流,所以在低雷诺数下混合性能较差,而高雷诺数下混合性能有所提高。     

重燃透平叶片真实内部冷却通道的传热特性研究

本文针对重燃叶片真实冷却通道开展传热特性研究。实验模型由前缘、中弦、尾缘三部分通道组成。前缘通道为类三角形截面带肋直通道;中弦通道为带肋蛇形通道;尾缘通道为带肋蛇形通道和相连的柱肋区域。实验在进口雷诺数为30000,40000,50000下进行,利用瞬态液晶测量技术获得通道表面的详细传热分布。结果表明：通道压力面与吸力面的结构差异使三通道的压力面的传热效果均强于吸力面;前缘通道气膜孔出流,导致通道末段传热降低明显;上游冷却单元的流动与下游冷却单元的传热关联性较高,尾缘通道第三通道横向二次流剧烈的区域,其相邻柱肋区域的传热也较高。     

低雷诺数高效类魔方结构微混合器

为了在雷诺数条件不定的小尺寸的芯片内部集成高效的混合功能,根据菲克定律和布朗运动的爱因斯坦关系式提出了一种通过匹配接触面提高浓度差的策略来设计微混合器,对科恩达效应进行了扩展,分析了流体在通道表面的流动方向,从特定微通道模块中抽象出4种具体功能。通过模块的功能来预测和调控浓度梯度并构建微混合器。使用4种功能模块来旋转并匹配流体界面,设计了两种三维结构的被动式微混合器。采用三维Navier-Stokes方程组进行了数值分析,并通过软光刻工艺制作微混合器进行了实验验证。实验和仿真结果表明,在雷诺数为0.1～100内,设计的微混合器在3.3 mm,即22倍水力直径长度处能稳定提供94%～99%的混合效率,在等水力直径条件下具有明显的优势,而且结构易于在芯片上集成,证明了模块化设计的优越性。     

多流道螺旋静态混合器混合性能的数值模拟研究

采用多相流混合模型对层流状态下两种物性接近的流体在多流道螺旋静态混合器内的混合性能进行研究。研究结果表明,流道数增多提高了流体混合速度,缩短了达到相同混合效果所需要的混合元件长度,但同时也增大了系统能量消耗。在混合元件长度要求较长的情况下,从能量消耗角度应优先选用两通道螺旋静态混合
器,而受到设备空间限制等原因混合元件长度需要较短时,应优先选用四通道螺旋静态混合器。     

交变电场电渗对微混合影响的数值分析

利用交变电场电渗,在微通道内诱发混沌流,以提高流体混合效率,并对其进行了数值模拟研究。基于有限元方法采用COMSOL软件对流体混合过程进行数值仿真,分析了交变电场强度、电场频率、电极对数和电极极性等参数对混合效率的影响。结果表明,交变电场电渗能够在微通道内产生混沌流,有效地提高微通道内流体的混合效率;提高交变电场强度、电场频率以及电极对数均可提高微通道内流体混合效率;当相邻两对电极极性相反时,混沌流更加显著,流体接触面积更大,因此可获得更好的混合效果。     

基于拉格朗日跟踪法的微混合器内混沌混合特性

为了分析三维交叉导流式(Staggered oriented ridges,SOR)微混合器内混沌混合特性,在计算流体力学的基础上,采用拉格朗日跟踪技术数值模拟SOR混合器中流道截面上流体物质线和物质面的变形、拉伸情况,并通过平均对数线拉伸计算定量地评价SOR混合器的混合效果。研究结果表明：SOR微混合流道内可诱发混沌对流,并在其作用下可增加流体粒子的接触面积,提高混合效率。在小雷诺数时,线拉伸随雷诺数增大变化不大,但在雷诺数较大时,线拉伸随雷诺数增大而增大。     

通道形状对活塞冷却油腔内工作流体阻力及流动特性的影响

为揭示通道形状对活塞冷却油腔内工作流体的阻力及流动特性的影响,将冷却油腔的直壁通道改为波壁通道,并采用压力差和可视化的方法对通道内工作流体的阻力及流动特性展开了实验研究。压力差实验结果表明,与水在直壁通道内的流动相比,水在波壁通道内层湍转捩点大大提前,将非牛顿流体替换水作为工作流体后,层湍转捩点再次提前;可视化实验结果表明,波壁通道内工作流体在雷诺数较低时就可呈现不稳定流动形态。为在较低雷诺数下继续强化活塞冷却油腔内的热质传递,进一步开展了脉动流场下非牛顿流体在波壁通道内的流动特性实验和数值模拟研究,结果表明：脉动流场的操作参数对波壁通道内非牛顿流体的流动不稳定率有较大影响,且影响了通道内非牛顿流体的质量传递。     

新型工业微反应器的开发研究

针对目前工业领域的微反应器存在处理能力小、设备耐压耐温能力有限、紧凑度低和流速低等缺陷,开发了一种应用于特定领域的新型工业微反应器,“蚀刻+扩散焊”工艺使其具有极好的耐压耐温性能,制造工艺使设备高度紧凑且内部通道灵活多变,在特定的化工工艺中具有巨大的优越性。针对新型工业微反应器的开发提出了拱形混合结构（AFMS）,矩形混合结构（RFMS）和碰撞流混合结构（CFMS）3种混合结构,采用数值模拟方法研究其混合性能。结果表明,混合效果随着雷诺数的增加而增加,在湍流条件下可以获得理想的混合效果;与AFMS相比,RFMS和CFMS在一定程度上可以促进混合过程,但会带来较大的压力损失,混合指数与压降比进一步验证了AFMS是最佳结构;当100相似文献   

影响微流体混合的因素及微混合器

由于微流控系统在生物工程、微电子机械系统等领域中有着广泛的应用前景,微通道中流体的流动、传质、传热等已成为微电子机械系统研究的前沿热点.本文分析了小Reynolds数下影响流体混合的因素,综述了目前各类主动式微混合器和被动式微混合器,为微流控系统的设计乃至于微机电系统的设计提供了基础.     

3D-不对称菱形被动式微混合器混合特性

提高微混合器雷诺数的适用范围和混合强度是微混合器设计的发展趋势。本文基于非对称分离重组混合原理设计、制作了一种3D-不对称菱形被动式微混合器,并借助数值分析方法和可视化实验对混合强度和混合状态的变化进行了研究。研究发现:在低Re(0.01~10)范围内,两组分间的混合以扩散混合为主,随着Re的增加,流速对混合强度的影响有一定下降;在较高Re(10~200)范围内,受流速增加的影响,流体间不平衡微流惯性碰撞逐渐成为影响混合的主要因素。此时,混合强度随流速的增加逐渐增强并趋于平稳。对Re在0.01~200内的微混合器展开研究,分析了宽缝比Ws/S、分合角θ、宽厚比H/S等结构尺寸对混合强度的影响。通过综合考虑流体混合强度和通道压降的变化情况,确定最佳通道结构尺寸为Ws/S=0.2、θ=45°、H/S=0.5,此时微混合器的混合强度可维持在78%以上。与传统平面对称分合式混合器相比,设计制作的3D-不对称菱形被动式微混合器混合强度有较大的提高,验证了本文设计结构的有效性。     

3D打印三层微通道冷板的综合特性研究

3D打印技术在快速成型和制造复杂结构零件方面具有巨大的优势.文中采用3D打印工艺制备了3种微通道散热器,分别是2种开放型的单层微通道和1种封闭型的三层微通道.对三层微通道散热器(Three-Layered Microchannel Heat Sink,TLMHS)的力学性能进行了压力测试.通过实验和数值仿真研究了50～...     

立式捏合机桨叶间隙、螺旋角对搅拌扭矩和功率特性的影响

以1 L两桨叶立式捏合机为研究对象,采用CFD方法系统性地研究立式捏合机桨叶结构参数（间隙、螺旋角）对搅拌牛顿流体（玉米糖浆）的搅拌扭矩和功率消耗的影响关系。立式捏合机仿真模型与试验数据进行对比验证,确保了模型的可信度。研究结果表明,减小桨叶间隙或增大桨叶螺旋角可增大桨叶搅拌扭矩和功率消耗。减小桨叶螺旋角可增加桨叶捏合作用时间,减小桨桨间隙或增大桨叶螺旋角可增大桨叶捏合作用强度。一定范围内,桨桨间隙c₁=3.0 mm、螺旋角β_k=35°时,空心桨平均扭矩取得最小值0.046 93 N·m;桨桨间隙c₁=1.0 mm、螺旋角β_k=55°,空心桨平均扭矩取得最大值0.068 73 N·m。搅拌牛顿流体时,立式捏合机功率准数N_pM与雷诺数R_eM为线性关系,并且桨桨间隙对立式捏合机功率特性曲线的影响大于桨叶螺旋角的影响。     

A review on the analysis and experiment of fluid flow and mixing in micro-channels

The studies with respect to micro-channels and micro-mixers are expanding in many dimensions. Most significant area of micro-mixer study is the flow analysis in various micro-channel configurations. The flow phenomena in microchannel devices are quite different from that of the macro-scale devices. An attempt is made here to review the important recent literature available in the area of micro-channel flow analysis and mixing. The topics covered include the physics of flow in micro-channels and integrated simulation of the micro-channel flow. Also, the flow control models and electro-kinetically driven micro-channel flows are dealt in detail. A survey of important numerical methods, which are currently popular for micro-channel flow analysis, is carried out. Different options for mixing in microchannels are provided, in sufficient detail.     

三维交叉导流式微型静态混合器的研究

从微尺度流动的特征出发,设计了一种新型静态微型混合器,通过在微通道内设置导流块的方式诱发横向的速度分量,减少混合长度,从而增强分子扩散作用,达到分子级混合;运用流场仿真技术分析了微型混合器内流场的运动规律,阐述了发生混合的机理;罗丹明染料的混合试验可以直观地检测微型混合器的混合效果,同时采用计算图像灰度值标准差的方法定量分析了微型混合器的性能与结构参数、流量的关系。     

高集成阵列天线微通道散热设计方法研究

高集成阵列天线以其高精度、大范围、多功能的特点成为当今雷达天线发展的主流。然而,电子元件的高度集成导致天线阵面高热功耗,进而恶化天线电性能,因此高效率的散热设计必不可少。微通道散热装置是一种基于流体热交换的换热器,良好的微通道布置结构对稳定天线工作温度和确保天线的控制精度有着重要作用。文中基于ANSYS软件设计了天线微通道有限元模型,根据传热效率对微通道结构参数进行了优化,设计了蛇型流道和U型回路流道2种微通道散热结构,并进一步从传热效率和工程实践出发,对结构进行优化,设计出更加合适的2种一体式散热结构。     

壁面粗糙度效应对微流体流动特性的影响

壁面粗糙度对微流道流动特性有重要影响。分别用矩形、三角形和圆顶形粗糙元对壁面粗糙度进行模拟,详细讨论了雷诺数、粗糙元高度、粗糙元间距等因素对流速、压降及流动阻力的影响。结果表明:与光滑流道相比,粗糙度使壁面附近的流动发生明显改变,从而导致微流道内流速、压降及流阻高于经典理论预测值;微流道内流动阻力随着雷诺数及粗糙元高度的增大而增大,而随着粗糙元间距的增大,流动阻力逐渐减小。三种粗糙元相比,矩形粗糙元的影响最大,圆顶形次之,而三角形粗糙元的影响最小,可见在实际应用场合,确立合适的粗糙元形状对分析结果非常重要。     

几何尺寸对矩形微通道液体流动和传热性能的影响

基于连续介质方法数值研究液体在不同几何结构微通道中的流动和传热性能。在相同热边界条件下,通过比较水力直径、通道长度和宽高比等几何参数对液体微流动的影响,得到各参数对泊肃叶数(Po)和努塞尔数(Nu)的影响关系。研究发现,截面宽高比越大,Po数越小,且雷诺数对泊肃叶数基本无影响;雷诺数(Re)小于500情况下,水力直径小于0.545 mm时,Po数随水力直径减小而减小,水力直径大于0.545 mm时,水力直径变化对Po数基本无影响;Po数不随通道长度变化而变化,但略受流动雷诺数影响;在Re=20～1 800时,Nu数正比于水力直径和宽高比,但是通道长度对Nu数的作用受流动Re数的影响;在通道材料和流动介质相同的条件下,Nu数和Re数之间的关系受通道几何参数的影响,并且拟合得到其关系式。     

基于仿生学的微通道耦合射流系统设计与研究

随着芯片热流密度的不断增长,散热问题日益严峻.文中以叶片脉络、斐波那契数列螺旋和雪花晶体结构为基础设计了3种由中心向四周拓扑的微通道耦合射流模型.通过仿真计算,分析了这3种仿生模型和典型肋柱模型的温度分布,并分析了这4种模型在不同雷诺数下的平均努塞尔数、在不同热流密度下的芯片温升和在不同泵功率下的综合性能.结果表明:3...