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.     

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。     

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。     

微槽道脉动热管的启动及传热特性

对竖直和水平放置情况下微槽道脉动热管(当量直径2.82 mm)的启动及传热性能进行了实验研究,并与内径分别为3.4 mm(1~#)、4.0 mm(2~#)和4.8 mm(3~#)的3个光管脉动热管进行了比较。实验工质为去离子水,充液率为50%。实验结果表明,竖直放置(底部加热)时,微槽道结构可以显著降低脉动热管的最小启动功率和启动温度,在约305 W的加热功率下其热阻分别比1#、2#和3#光管脉动热管下降41.7%、35.6%和30.9%,蒸发段壁面平均温度分别下降12.1、11.8和7.6℃;水平放置时,微槽道脉动热管在一定加热功率下能够正常启动,光管脉动热管难以有效运行。使用微槽道结构后,脉动热管显热和潜热传热能力的提高以及微槽道毛细作用利于冷凝液向蒸发段回流可认为是实现热管传热强化的主要原因。     

微槽道脉动热管的启动及传热特性

对竖直和水平放置情况下微槽道脉动热管(当量直径2.82mm)的启动及传热性能进行了实验研究,并与内径分别为3.4mm(1^#)、4.0mm(2^#)和4.8mm(3^#)的3个光管脉动热管进行了比较。实验工质为去离子水,充液率为50%。实验结果表明,竖直放置(底部加热)时,微槽道结构可以显著降低脉动热管的最小启动功率和启动温度,在约305W的加热功率下其热阻分别比1^#、2^#和3^#光管脉动热管下降41.7%、35.6%和30.9%,蒸发段壁面平均温度分别下降12.1、11.8和7.6℃;水平放置时,微槽道脉动热管在一定加热功率下能够正常启动,光管脉动热管难以有效运行。使用微槽道结构后,脉动热管显热和潜热传热能力的提高以及微槽道毛细作用利于冷凝液向蒸发段回流可认为是实现热管传热强化的主要原因。     

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.     

微通道内流动沸腾可视化观察与流型转换研究

对去离子水在矩形微通道(0.54mm×1.6mm)中的流动沸腾进行了可视化观察和实验,观察到泡状流、弹状流、环状流三种流型,并对流型进行分类.根据流型转换实验数据,得到随千度和质量流速变化的流型分布图,在此基础上进一步拟舍得到流型转换预测的新关联式,对矩形微通道内流动沸腾换热的研究有重要的实际意义.     

一种铜丝结构的新型微槽道平板热管

对一种铜丝结构的新型微槽道平板热管的换热特性进行了实验研究,实验在40、50和60℃3个稳定的管内蒸气温度条件下进行,实验工质为去离子水和乙醇。实验研究了铜丝直径、铜丝间距、实验工质和蒸气温度对热管换热特性的影响,为此新型热管在实际工程中的应用提供了设计依据。     

水基石墨烯纳米流体在矩形小槽道内的流动换热特性

测试了水基石墨烯纳米流体的部分热物性,研究了不同浓度、雷诺数(Re)和加热功率条件下水基石墨烯纳米流体作为换热工质在设计的矩形结构小槽道内的对流换热性能。结果表明,层流状态(Re=500~2000)下,矩形槽道壁面温度随Re增大逐渐降低,随加热功率增大逐渐升高,与常规流体换热特性一致;在相同Re和换热功率条件下,随纳米流体浓度增大,壁温逐渐减小;水基石墨烯纳米流体的换热强度比基液去离子水提升较大,Re=2000、加热功率为210 W时,浓度为0.03wt%的水基石墨烯纳米流体的平均努塞尔数(Nu)为9.3,比基液水提升48.8%;受入口效应影响,沿槽道长度局部对流换热系数逐渐减小,最高可达25674.5 [W/(m2?℃)],较基液水最大可提高39.1%;Re=500~1400时,石墨烯纳米流体的流动换热强度随Re增大明显增强;由实验数据结合理论模型拟合了适用于石墨烯纳米流体对流换热强度的计算式,计算结果与实验结果最大相对误差不超过25%,平均相对误差仅为4.8%。     

气体在任意截面形状微尺度槽道中的滑移流动

利用正交函数法对气体在具有任意截面形状的微尺度槽道内的充分发展层流滑移流动特性进行了理论分析,获得了任意截面形状微槽道内的速度分布和流动阻力特性的分析解,并以矩形微槽为例分析了微槽截面上的速度分布和阻力特性.结果表明：随Kn数的增加,由于壁面处滑移流动的影响,气体流经微槽的流动阻力常数小于大尺度理论预测值;理论分析解的结果与实验结果吻合较好,表明在一定的Kn数范围内Navier-Stokes方程在考虑了速度滑移后可以描述微通道内的气体流动过程;正交函数法在微槽内滑移流动的分析中是可行的.     

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。     

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。     

仿蜂巢分形微管道网络中的流动与换热

受自然界中蜂巢结构分形特征的启发,设计和加工了仿蜂巢分形微管道网络,并进行了参数优化.在微管道截面参数、对流传热系数、传热温差均相同的条件下,对流动与换热特性的理论分析表明：加热底面积相同时,仿蜂巢分形微管道网络所能带走的热量可达平行阵列微管道网络的5倍以上;不计分流、合流效应,总换热量一定时,仿蜂巢分形微管道网络所需的泵送功率约为传统平行阵列微管道网络的1/10.恒定热流条件下的去离子水层流对流换热实验也证明：仿蜂巢分形微管道网络比传统的平行阵列微管道网络具有更高的Nusselt数和更低的流动压降.这种分形微管道网络除用于电子器件冷却,还可用于微燃料电池极板、微混合器、微生化反应器等微化工系统结构设计.     

两种烧结通道的沸腾传热和阻力特性对比

多孔材料对沸腾换热的强化是能源化工领域的重要主题。本文针对两种不同的烧结结构——并联微通道和扁平通道（仅有烧结底层）,以去离子水为工质,进行了过冷流动沸腾换热实验对比研究。研究发现：并联微通道的传热系数和临界热流密度远高于扁平通道,这和并联微通道优异的毛细供液性能相关。底厚粒径比对并联微通道的沸腾换热性能影响较大,过大的底厚粒径比会造成换热性能的下降。质量通量对小粒径样品的沸腾曲线和换热性能均影响较大,对大粒径（d=120μm）样品的沸腾曲线影响较小。烧结并联微通道的平均压降大于扁平通道。相同底厚下,平均压降随着微通道粒径的增大而增大。可视化观察表明：两种通道在中高热流密度流型不同,其主要相变机制均为薄液膜蒸发模式。     

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。     

Simulation Analysis of the Heat Transfer Performance of an N-type Microchannel Heat Exchanger

A microchannel heat exchanger with a triangular wave and symmetrical triangular wave structure was proposed in this paper. In addition, a new N-type microchannel heat exchanger was developed to balance the heat transfer performance and pressure drop. The relationship between different configurations of the N structure of the microchannel and the heat transfer performance was analyzed. The results showed that, at a high inlet flow rate, the symmetrical triangular wave microchannel had the best heat transfer performance, followed by the triangular wave microchannel and the straight channel. At the same flow rate, the degree of disturbance of the fluid was highest in the symmetrical N-structure microchannel, and an excellent heat transfer effect was observed.     

微通道换热器百叶窗翅片排水性能的CFD模拟

微通道换热器结构紧凑、换热效率高,但应用于热泵空调器时,会出现排水困难从而造成性能恶化的问题。插片式微通道换热器通过在翅片上增加专门的排水槽结构,能够有效提升微通道换热器的排水性能。本文采用百叶窗型插片式微通道换热器的双翅片扁管结构作为几何建模对象,利用液滴接触角模型与表面张力模型来确定排水过程中液滴在翅片表面的运动过程,建立排水预测模型,并通过试验验证模型准确性。通过对不同开缝角度和开缝数量的百叶窗翅片排水性能进行模拟,发现翅片上残留水量与开缝角度没有明显的单调关系;翅片上残留水量随着开缝数量增加而增加;当开缝数量由5个增加到14个时,残留水量增大了31.89%。     

非均匀润湿性微通道表面池沸腾换热特性

采用高温热氧化与表面改性技术并结合电火花线切割工艺在紫铜表面制备了3类非均匀润湿性微通道表面,微通道顶部接触角分别为8.6°、88.1°、156.1°,通道内部接触角为113.2°。经饱和池沸腾试验表明,具有超亲水性顶部（θ=8.6°）和超疏水顶部（θ=156.1°）的微通道表面临界热通量分别较紫铜表面（θ=88.1°）提高了61%和35%,最大传热系数分别提高了2.3倍和6倍。气泡动力学可视化研究表明：非均匀润湿结构能够显著抑制气泡的合并与团聚,使得气泡之间存在的间隙成为液体补充路径,这是临界热通量提高的主要机理。     

局部表面改性紫铜方柱阵列池沸腾传热特性和机理

以局部表面改性的紫铜直方柱和梯度方柱阵列为研究对象，实验研究了表面润湿性、表面形貌和表面活性剂对池沸腾换热性能和气泡生长特性的影响。实验工质为去离子水，浓度分别为100、200、400、800 mg·L^-1的异丙醇溶液和正庚醇溶液。实验结果表明：方柱阵列表面镀银之后润湿性变差，表面产生的气泡数量减少。向去离子水中添加异丙醇或正庚醇后，在热通量为66.1～202 kW·m^-2时，气泡脱离直径变小、数目减少，而当热通量增至413 kW·m^-2时，活性剂能够有效阻碍气泡合并，故池沸腾传热系数随着浓度增加先减小后增大。上下层宽分别0.5 mm和1 mm、间距为2 mm的梯度方柱阵列结构有助于气泡的合并，但由于促进了固体表面气膜的形成，从而降低了沸腾换热性能。