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.     

微肋阵通道流动沸腾换热与压降特性

为探究不同截面微肋阵通道内的流动沸腾换热机理,以去离子水为工质,在质量流速为96～224 kg·m^-2·s^-1,有效热通量为10～240 W·cm^-2的范围内,对圆形、菱形、椭圆形微肋阵通道内流动沸腾换热及压降特性进行了实验研究,同时对微通道内流动沸腾的不稳定性进行了分析。通过实验发现：在低热通量下,核态沸腾占主导地位,而在中高热通量下,薄膜蒸发对流换热为主要沸腾机制;沸腾传热系数随着热通量和出口干度的增加而减小,两相压降随着热通量和出口干度的增加而增大;微肋阵肋间形成的次级通道宽度对换热和两相压降有很大的影响,次级通道越宽,气泡越容易脱离,换热效果越好,压降越大;微肋的存在抑制了气泡的反向流动,减小了沸腾不稳定性,推迟了临界热通量的发生,椭圆形微肋阵通道的流动沸腾稳定性最好,而圆形微肋阵通道的流动沸腾稳定性最差。     

微柱群流动及换热研究进展

微柱群结构能够增大有效传热面积并增强流动扰动,在航空航天、核电站、空调制冷等领域有广阔的应用前景。但是宏观流动传热机理在微尺度下不一定适用,在微尺度领域流动换热受更多因素影响。本文针对结构、纳米粒子以及不同重力水平对微柱群流动换热影响机理进行了综述,总结了国内外在这方面的研究成果。流线型微柱群结构具有较好的传热性能。文中指出微米或毫米级的粒子在液体中易沉降,堵塞微柱群通道,而纳米流体在微柱群通道压降小、纳米粒子不易沉淀且单位体积内的热导率更高,但纳米流体的物性只能在短时间内保持稳定不变。无论是常重力还是微重力下沸腾换热,微柱群结构都存在毛细吸引力,可及时向受热面供给液体并且提供稳定的气泡成核位点,有助于提高传热系数。本文提出临界热通量和气泡离开直径的变化规律是微重力下微柱群结构沸腾换热的研究重点。     

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。     

纳米流体在芯片微通道中的流动与换热特性

对去离子水及体积分数分别为0.15%和0.26%的水基γ-Al₂O₃纳米流体在当量直径为194.5 μm的硅基梯形芯片微通道内的层流流动和换热特性进行了实验研究。考察了Reynolds数、Prandtl数以及体积分数对流动换热的影响。结果发现,使用纳米流体后,压降无明显增加,纳米流体的流动阻力特性与去离子水基本相同;对流换热Nusselt数较去离子水有明显提高,且随着体积分数的增加而增加;相同泵功下换热热阻显著下降。实验还发现纳米流体的强化传热效果在较高温度时更加明显。根据实验数据得到了梯形硅微通道内低浓度纳米流体的层流对流换热关联式。研究结果对于集成高效芯片散热系统设计具有重要意义。     

水平微肋管内流动蒸发换热特性的实验研究

为了研究微肋管结构尺寸及工况等对管内流动蒸发性能的影响,对4种微肋管和1根9.52 mm光管进行了实验,4根微肋管中管外径为9.52 mm和7 mm的各2根,所用工质为R22.实验中质量流速变化范围为90～400kg•m^-2•s^-1,所选工况为：蒸发温度7℃,入口干度15%～20%,出口过热度5～6℃.获得了蒸发换热性能随质量流速的变化,讨论了微肋结构尺寸和管径等对蒸发换热性能的影响.两根9.52mm微肋管的传热系数比光管分别分别提高了130%和180%,而其内表面积只比光管分别增加了40%和70%.     

微/小通道内非牛顿流体多相流动与传热研究展望

概述了微/小尺度非牛顿流体多相流动与传热现象。在评述国内外已有文献的基础上,从实验研究与数值模拟二方面介绍了非牛顿流体管内多相流动与传热研究的现状、存在的问题。总结了微小通道内非牛顿流体多相流动与传热研究领域中若干值得探索的研究切入点,提出了若干值得探索的研究内容。讨论了非圆截面微通道试验器件的设计与加工、流动可视化与流型采集、流动参数测量、数值模拟等关键技术解决思路,给出了微/小通道内非牛顿流体的绝热气液二相流动可视化实验、流动沸腾传热及可视化实验设计方案,可为深入探索微/小尺度非牛顿流体管内多相流动与传热特性提供参考和借鉴。     

射流强化螺旋通道内流体流动与换热的数值模拟

采用CFD软件模拟了射流作用下圆形截面螺旋通道内流体的流动及强化传热特性,模拟结果与实验结果吻合较好。研究了无量纲曲率?=0.061、无量纲螺距?=0.121的螺旋通道内复合涡旋结构及其演变过程,考察了射流入射角度?=π/6~π/3、射流速比?j=3~6时射流对螺旋通道换热的强化效果。结果表明,射流的初始阶段,射流的冲击作用抑制了单一螺旋通道内的离心二次涡旋,生成一对与其旋转方向相反的射流诱导涡旋,随流动发展,射流诱导涡旋先由两涡演变为单涡结构而后逐渐耗散消失。射流作用显著强化了螺旋通道内侧壁面附近流体的换热,随着?减小或?j增大,强化传热效果增强。?j≥4时,不考虑射流流量增加时综合强化传热因子JF1=1.26~1.67,考虑射流流量增加时JF2=1.008~1.19。     

水/乙醇混合工质在硅基微通道中的流动与换热

以不同浓度的乙醇水溶液为工质,在5种不同几何尺寸的梯形硅基微通道中进行了层流流动与换热的实验研究。基于实验结果,分别得出了摩擦常数和平均Nusselt数的实验关联式。实验发现微通道的几何尺寸对微流体的流动与换热特性有着非常显著的影响,各通道中的换热随乙醇溶液浓度的变化而呈现不同的特性,而流动特性则不随溶液浓度的变化而变化。同时还发现在本实验参数范围内,入口段效应对流动与换热的影响都十分显著。     

微型硅基内肋管内的流动与换热特性

目前内肋管强化换热研究大多基于铜、铝或者不锈钢等常规材质,其加工精度和加工尺寸均受到限制。本文采用MEMS工艺首次在硅片上制作成带有方形内肋的平行硅基微通道,并对其内部流动和换热特性进行了实验研究,结果表明：在通道深度和宽度相同的情况下,肋高和肋间距对工质在通道内的流动阻力和换热特性有显著的影响;微通道内加肋以后,通道内的流动阻力和换热性能有不同程度的增加,且提高程度与肋高和肋间距有关;通过合理的设计肋高和肋间距,可以起到明显的强化换热作用。结果还显示,进口段效应对硅基微通道内的流动和换热影响较为显著。     

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。     

梯形微槽道表面池沸腾换热性能研究

池沸腾换热表面的结构对其沸腾换热性能具有重要影响。为了进一步强化在较低表面过热度时池沸腾换热的性能,提出了新型梯形微槽道池沸腾换热表面,采用可视化实验方法研究了饱和温度下去离子水在该表面的池沸腾换热性能。结果表明：与光滑平面相比,梯形微槽道表面可以降低起始沸腾表面过热度;在相同表面过热度时,随着下底长度的增大、下底角角度的减小,梯形微槽道表面的热通量增加,换热能力增强。下底长度为1.2 mm、下底角度为45°的梯形微槽道表面具有最低的起始沸腾表面过热度（1.4 K）;在表面过热度为8.3 K时,其热通量能达到1.2×10⁶ W·m^-2,为相同表面过热度时光滑表面的24.0倍。较大的下底长度和较小的下底角角度有利于增强梯形微槽道表面的池沸腾换热性能。     

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。     

分形多孔介质传热传质过程的格子Boltzmann模拟

针对自然界中实际多孔介质具有的分形特性和随机性,利用中点替代算法和二值化处理构造统计上具有分形特性的随机多孔介质。分析了所构造的多孔介质盒维数与Hurst指数之间的关系。基于随机分形构造的原理,对二维实际多孔介质图像进行了重构。利用两点相关函数,分析了重构图像的结构相关性, 并与实际目标多孔介质的结构特征进行比较。在与解析解对比验证的基础上,将基于二元混合理论的格子Boltzmann模型（LBM）用于模拟多孔介质内流体扩散过程。通过计算不同分形特性的二维多孔介质的有效扩散系数,研究了重构多孔介质的分形维数与有效扩散系数的关系。利用热耦合LBM模型计算多孔介质内传热过程,分析了不同的分形特性对多孔介质蓄热过程的影响。     

紧凑式换热器开孔翅片流动传热特性分析

对锯齿翅片和波纹翅片的不同开孔方式建立了多种三维模型,结合数值仿真方法和已有经验公式,分析开孔翅片的流动传热特性,研究翅片开孔的强化传热机理,比较不同开孔方式对流场和温度场的影响,并通过已有的实验拟合公式对仿真结果进行校验。结果表明,对锯齿形翅片,不同开孔参数对流动、散热都有不同的影响。当孔径达到一定范围后,再增加开孔尺寸并不能显著提高换热性能,却仍会导致流动阻力大大增加。对波纹形翅片,不同的开孔位置也会对空气侧流动阻力和传热性能产生显著影响。开孔位于波纹顶峰的翅片比开孔位于波纹腰部的翅片传热性能大约提高1.1%～3.8%,而空气侧压降增加了5.8%～16%。     

Flow distribution and mass transfer in a parallel microchannel contactor integrated with constructal distributors

Flow distribution and mass transfer characteristics during CO₂‐water flow through a parallel microchannel contactor integrated with two constructal distributors have been investigated numerically and experimentally. Each distributor comprises a dichotomic tree structure that feeds 16 microchannels with hydraulic diameters of 667 μm. It was found that constructal distributors could ensure a nearly uniform gas–liquid distribution at high gas flow rates where the ideal flow pattern was slug‐annular flow. Nevertheless, at small gas flow rates where the ideal flow pattern was slug flow, a significant flow maldistribution occurred primarily due to the lack of large pressure barrier inside each distributor, indicating that dynamic pressure fluctuation in parallel microchannels greatly disturbed an otherwise good flow distribution therein. It was further shown that the present parallel microchannel contactor could realize the desired mass transfer performance previously achieved in one single microchannel under relatively wide operational ranges due to the integration of constructal distributors. © 2009 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 2010     

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.     

垂直上升管内超临界CO2 流动传热特性研究

在压力为7.5～21 MPa，热通量为50～413 kW·m^-2，质量流速为519～1500 kg·m^-2·s^-1的实验参数范围内，对超临界CO₂在内径为10.0 mm的垂直上升管内的流动传热特性进行了均匀加热条件实验研究。分析了热通量、压力和浮升力对圆管内传热特性的影响规律。实验结果表明：随着热通量的增加，传热出现恶化现象，并且随着热通量的增加壁温峰值点向入口段移动。传热恶化发生在流体温度小于拟临界温度而壁面温度大于拟临界温度附近。增大压力时由于物性的变化趋于平缓，传热恶化被抑制。当传热恶化发生时，浮升力对传热恶化有明显的影响。基于实验数据，综合考虑物性变化和浮升力对传热的影响，建立了新的超临界二氧化碳传热关联式，在实验工况范围内，预测值与实验值的平均偏差和标准差分别为1.2%和16.29%。