内燃机冷却水腔表面形貌对沸腾换热影响的研究

愈发严重的能源和环境问题要求内燃机的结构更加紧凑和复杂,导致缸盖等零部件所受的热负荷急剧增加,这对其内部冷却水腔提出了更高的换热要求。对流换热已不能满足苛刻的冷却要求,沸腾换热应运而生。据气泡动力学可知,汽化核心更倾向于分布在狭窄的凹坑处,因此在加热面上布置一定的表面形貌能够有效提高沸腾换热效果。文中设计4种形貌,并比较分析不同形貌的强化换热能力。结果表明:圆柱形凸起形貌强化沸腾换热和对流换热的效果最好,其次是圆柱形凹坑形貌,圆台形凹坑强化沸腾换热的效果好于半球形凹坑形貌,但强化对流换热的效果比半球形凹坑形貌差。不同凹坑形貌,汽化核心更倾向于分布在凹坑底部的狭窄区域,圆柱形凹坑底部狭窄区域的范围最广,有利于汽泡成核,圆台形凹坑次之,而半球形凹坑内部较为平整,不利于成核。     

微通道和小通道内流动沸腾换热的研究

介绍了小通道、微通道内流动沸腾换热机理的最新进展，其中包括国内外学者对各种形状的单通道小通道内流动沸腾现象的解释及其对换热系数影响的各种不同看法，以及微通道内流动沸腾换热现象研究的概况；还介绍了小通道和微通道内流型转变的研究现状，指出了各研究者研究结果的差异，并提出要进一步探索小通道微通道内流动沸腾换热现象，必须借助更先进的观测手段等。     

内表面烧结型多孔管的流动沸腾换热

采用流动沸腾传热试验平台,研究了2 m长铁基烧结型内表面多孔管竖直管内流动沸腾传热特性,利用流动沸腾传热学基本原理及公式计算了传热过程中的热通量、沸腾传热系数及相关参数,并考察了过热度和流速对多孔管流动沸腾传热性能的影响.结果表明:烧结型表面多孔管的流动沸腾传热能力优于同条件下的光滑管,内表面沸腾传热系数是同尺寸光滑管...     

多孔微通道流动沸腾换热特性的实验研究

本文通过实验的方法对烧结的多孔微通道和铜基微通道的沸腾换热性能和流动不稳定进行研究.实验工质选用去离子水,采用的铜粉粒径分别为30μm、50μm、90 μm,烧结底厚为200 μm和400 μm.采取控制变量的方式,研究改变入口温度、铜粉粒径大小、入口流量对多孔微通道和铜基微通道换热性能的影响.研究表明:多孔微通道最优的厚度粒径比在2～5之间,在此区间的多孔微通道可以提高沸腾传热的性能.其中厚度粒径比为2和4的多孔微通道的最大换热系数是铜基微通道的换热系数的5倍.多孔微通道相对于铜基微通道有更好的换热能力,有着较低的壁面温度.     

石墨烯纳米制冷剂核态池沸腾换热的实验研究

为分析单层石墨烯纳米片对核态池沸腾换热的影响机理,对基液为R141b、分散相为单层石墨烯纳米片的纳米制冷剂的核态池沸腾换热特征进行了测定,采用Hot Disk热物性分析仪和铂金板法分别测定了石墨烯纳米制冷剂的热导率和表面张力,采用接触角测量仪和扫描电子显微镜（SEM）观测了沸腾后加热表面的润湿性和形貌特征。实验中,单层石墨烯纳米片的质量百分含量（ω）为0.02%~0.50%,实验压力为一个标准大气压,热流密度为20~200 kW/m2。实验结果表明：单层石墨烯纳米片的加入,使制冷剂R141b的核态池沸腾换热得到强化;当ω=0.2%时,换热系数提高比例出现峰值,为57.7%。伴随ω的增加,石墨烯纳米制冷剂的热导率增大、表面张力减小,沸腾表面润湿性增强且微腔数先增后减,综合作用的结果导致存在一个最佳的单层石墨烯纳米片浓度（即ω=0.2%）使换热系数最高。     

无沸腾喷雾冷却中流量和喷头高度对换热性能的影响

采用薄膜电阻加热器进行了喷头进口压力，喷头类型，喷头高度对换热系数影响的实验研究。研究了冷却介质的质量流量对换热性能的影响，并测量了同一喷头在不同喷头高度下的换热系数大小。实验发现当喷雾面积近似等于实验用薄膜加热器面积时冷却能力达到最大。根据以上实验结果可以最优化喷雾冷却性能。     

不凝结气体对多壁碳纳米管换热表面的池沸腾性能的影响

为揭示不凝结气体对多壁碳纳米管（Multi-walled Carbon Nanotube, MWCNT）纳米结构表面核态池沸腾过程的影响，使用气体沉积法（Chemical Vapor Deposition, CVD）在硅表面制作MWCNT纳米结构表面，并使用光滑硅表面进行对比实验研究。实验操作中，将驱气前后的工作液体应用于两种表面的池沸腾实验，换热表面过热度控制在0℃-35℃，工作液体过冷度分为40℃和50℃。实验结果表明，液体中含气量的变化对MWCNT纳米结构表面影响较小，而对光滑硅表面的影响较大；对比硅表面，MWCNT纳米结构表面能够有效提升沸腾传热效果，对于驱气后的工作液体提升效果更为明显。     

冷却水中重悬浮颗粒影响沸腾传热的试验研究

试验研究了冷却水中添加氧化铁(Fe3O4/Fe2O3)颗粒在高温钢坯冷却过程中影响沸腾传热的性质。系统分析了冷却水(悬浮液)喷淋初速度、加入重颗粒的粒径、质量分数等因素对热钢坯温度下降强度、传热热流密度、沸腾传热系数、过冷沸腾长度等参数的影响,总结了冷却水中引入重悬浮颗粒用以强化沸腾传热的优化方案。     

微通道内流动沸腾特性研究

对国内外微通道流动和换热的研究实验作了总结,阐述了影响微通道换热系数的因素,如热流密度、过热度和干度等.对去离子水在内径为0.65 mm、长为102 mm的圆形管道内流动沸腾换热进行了实验研究,得到了局部换热系数随干度的变化关系,进而根据换热系数的变化趋势讨论了饱和流动沸腾区微通道内主导的换热机制.结果表明:从换热系数随干度的变化关系很难判定主导的换热机制;将实验数据与已发表的预测关联式进行了比较,发现大多关联式都失效,说明基于常规理论的模型不再适用于微通道.     

三维微肋螺旋管内R134a沸腾环状流区的传热与关联式

首次实验研究了制冷剂R134a在三维微肋螺旋管内流动沸腾环状流区的流动与传热性能。对流型的可视化观察发现：当质量流速大于100kg／(m^2s)时。螺旋管内才开始出现环状流。环状流的起始干度为0．3、0．4。在流型图上给出了环状流区与其它主要流型的分区。回归了实验环状流区的传热实验数据，得到的传热关联武计算值与实验值的平均绝对误差为9．1％。     

微尺度通道内流动沸腾研究综述

阐述了微尺度通道内传热问题出现的工程背景——高密度微电子器件的冷却。对当前国内外微尺度通道内流动沸腾换热特性的研究现状进行了归纳。突出分析了工质种类、微尺度通道的几何参数和工质的工况参数等对微尺度通道内流动沸腾换热特性的影响。同时分析了微尺度通道内流动沸腾换热的强化机理、流动阻力特性、压降关联式和沸腾换热关联式的理论和实验研究。最后根据分析对今后的工作提出了一些建议。     

不同纳米流体水平管内沸腾流型的模拟

对以纯水为基液的不同纳米流体管内流动沸腾进行了模拟。利用UDF编程定义流体的沸腾相变源项,将其导入FLUENT软件中分别模拟这四种流体在水平管内的流动沸腾过程。得到了四种流体流动沸腾的速度云图,以及流型分布云图。对比分析了四种流体的速度分布云图、四种流体从初始状态沸腾到1s时的流型分布云图以及四种流体层状流流型的特点。结果表明,四种流体在水平管内沸腾都会出现泡状流、弹状流、层状流以及波状流四种流型,并且沿管长方向含气量逐渐增加。在相同的时间内,纳米流体的沸腾比纯水更剧烈,而且,不同的纳米流体沸腾程度也不同。在相同的体积分数下,纳米颗粒的导热系数越大,其对应的纳米流体沸腾越剧烈。说明纳米颗粒的导热系数是影响纳米流体沸腾传热的主要因素。     

Micro‐bubble emission boiling from horizontal and vertical surfaces to subcooled parallel flow water

Heat removal of more than 10 MW/m² in heat flux has been required in high‐heat‐generation equipment in nuclear fusion reactors. In some conditions of water subcooling and velocity, there appears an extraordinary high heat flux boiling in the transition boiling region. This boiling regime is called micro‐bubble emission boiling (MEB) because many micro‐bubbles are spouted from the heat transfer surface accompanying a huge sound. The study intent is to obtain heat transfer performance of MEB in horizontal and vertical heated surfaces to parallel flow of subcooled water, comparing with CHF of this system. Three types of MEB with different heat transfer performance and bubble behavior are observed according to the flow velocity and liquid subcooling. © 2003 Wiley Periodicals, Inc. Heat Trans Asian Res, 32(2): 130–140, 2003; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/htj.10077     

竖直矩形窄通道内流动沸腾局部换热特性实验研究

为了明确竖直矩形窄通道内各阶段流动沸腾的换热特性,优化换热器性能,以去离子水为工质,对尺寸为720 mm×250 mm×3.5 mm的单面电加热竖直矩形窄通道内的流动沸腾换热进行实验研究,分析了质流密度、进口温度、热流密度对流动沸腾局部换热特性的影响。并在已有流动沸腾传热关联式的基础上,对实验数据进行非线性回归分析,得到适用于实验工况下的新流动沸腾传热关联式。结果表明：质流密度增大对流动沸腾段换热特性有强化作用,对核态沸腾段换热特性有削弱作用;热流密度对核态沸腾影响剧烈,但对流动沸腾的影响不明显;入口温度越高,流体会越早进入过冷沸腾阶段,但对局部传热系数的影响不明显;新流动沸腾传热关联式与实验值的平均相对误差为23.87%,其中74.19%的预测值在±25%内,83.87%的预测值在±50%以内,能很好地预测本实验工况下矩形窄通道内流动沸腾的局部传热系数。     

Heat transfer and flow characteristics of flow boiling of CO2‐oil mixtures in horizontal smooth and micro‐fin tubes

Experiments were carried out on the flow pattern, heat transfer, and pressure drop of flow boiling of pure CO₂ and CO₂‐oil mixtures in horizontal smooth and micro‐fin tubes. The smooth tube is a stainless steel tube with an inner diameter of 3.76 mm. The micro‐fin tube is a copper tube with a mean inner diameter of 3.75 mm. The experiments were carried out at mass velocities from 100 to 500 kg/(m²·s), saturation temperature of 10 °C, and the circulation ratio of lubricating oil (PAG) was from 0 to 1.0 mass%. Flow pattern observations mainly showed slug and wavy flow for the smooth tube, but annular flow for the micro‐fin tube. Compared with the flow patterns in the case of pure CO₂, an increase in frequency of slug occurrence in the slug flow region, and a decrease in the quantity of liquid at the top of the tube in the annular flow region were observed in the case of CO₂‐oil mixtures. With pure CO₂, the flow boiling heat transfer was dominated by nucleate boiling in the low vapor quality region, and the heat transfer coefficients for the micro‐fin tube were higher than those of the smooth tube. With CO₂‐oil mixtures, the flow boiling heat transfer was dominated by convective evaporation, especially in the high vapor quality region. In addition, the heat transfer coefficient decreased significantly when the oil circulation ratio was larger than 0.1 mass%. For the pressure drop characteristics, in the case of pure CO₂, the homogeneous flow model agreed with the experimental results within ±30% for the smooth tube. The pressure drops of the micro‐fin tube were 0–70% higher than those predicted with the homogeneous flow model, and the pressure drops increased for the high oil circulation ratio and high vapor quality conditions. The increases in the pressure drops were considered to be due to the increase in the thickness of the oil film and the decrease in the effective flow cross‐sectional area. © 2010 Wiley Periodicals, Inc. Heat Trans Asian Res; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/htj.20287     

竖直矩形窄缝两相同向分相流动沸腾传热模型

首次对竖直矩形窄缝内的汽液分相流动区提出一维两相同向分相流动沸腾传热模型 ,并进行了数值计算 ,得到不同质量流速下液膜厚度变化和沸腾传热系数等结果。沸腾传热系数的模型预测值初步与已有实验关联式进行了比较 ,两者基本吻合 ,偏差在± 1 4% ;从而证实了液膜导热是竖直矩形窄缝内汽液分相流动区沸腾传热的主导机理。     

垂直矩形窄缝内的过冷流动沸腾换热性能

用高速摄像等方法研究了有压模化介质在单一垂直矩形窄缝流道内的气泡形态和传热情况 ,发现窄缝流动沸腾换热强化的原因在于流道尺寸较小 ,气泡的形状发生变化 ,增加了界面体积浓度 ,并强化了对加热面附近的扰动 ,使换热有所强化。通过与实际测量的壁温数据进行比较 ,发现用于计算大流道和池过冷沸腾换热的 Rohsenow关系式预测窄流道内高热流密度下的过冷流动沸腾换热的误差不大 ,但对于较低热流密度下的过冷流动沸腾时误差较大 ;通过最小二乘法对 Rohsenow关系式进行修正后 ,误差低于± 2 5 %。     

沸腾两相流动中的动力学特征量

采用频域和相空间方法分析沸腾两相流系统。用实测的声压信号重构相空间，并用最大Lyapunov数和相关维数对重构的相空间进行量化。分析这些量化参数与实际实验过程中观察到的流型变化之间的关系。结果表明：声压信号的功率谱和相空间的量化参数均与沸腾流体中的流型变化有关，有可能作为流型变化的特征参量。