环形小通道内水单相换热特性的实验研究

采用自行设计的环形小通道换热装置,对双面加热环形小通道内单相水处于流动充分发展下的对流换热特性进行了实验研究,通过热电偶、流量计测量内外壁面温度、水温和水流量,分析单相水处于不同热流密度下内外壁面热流密度、流量与对流传热系数之间的关系特性,结果表明:通道内外壁单独加热时的壁面对流传热系数均随加热热流密度的增大而增大,当加热热流密度一定时,内壁面对流传热系数随流量的增大而增大,外壁面对流传热系数随流量的增大变化不明显;内外壁同时加热时,随着内、外壁加热热流密度比的增大,内壁面的对流传热系数先减小后增大,而外壁面的对流传热系数一直增大。     

泡沫金属结构内流体流动与传热性能数值模拟

基于开孔泡沫金属的微观结构分析,文中提出了一种简化的六面体结构模型,并采用商用软件FLUENT14.0模拟分析了三维矩形通道内泡沫金属与空气的对流换热情况,进一步分析了结构参数对泡沫金属内部流动与换热特性的影响关系。研究结果表明:通过与Alvarez实验结果的对比,分析验证了文中提出的简化模型是可行、准确的;传热因子j和摩擦因子f随着雷诺数和孔隙率的增大而减小,随着孔密度的增大而增大;相对而言,大孔径的泡沫金属的对流换热综合性能较好。     

单相流体通过多孔金属换热器换热性能的理论分析

泡沫金属具有非常大的比表面积和良好的导热性能,在强迫对流情况下,具有很强的换热能力.通过建立泡沫金属在强迫对流的情况下的换热模型,得到了泡沫金属高度、孔密度、孔隙率和空气流速的变化对其换热性能的影响.分析结果显示:增大泡沫金属换热器的高度、孔密度、空气流速和减小孔隙率,都能提高换热器的换热性能;当这4个参数各自变化到一...     

泡沫铜孔隙率和孔密度对流动与沸腾换热特性的影响

以去离子水作为工质，设计并搭建了以泡沫铜为研究对象的单相和两相换热实验系统。对于单相流动换热，当Re数较小时，孔隙率80%、孔密度90PPI的泡沫铜样品换热性能最好；当Re数较大时，孔隙率80%、孔密度45PPI的泡沫铜样品换热性能最好。泡沫铜最大换热系数为空通道的6倍，但同时需付出更大的泵功损耗为代价。对于两相流沸腾换热，低孔隙率样品70%~80%能有效地降低壁面过热度和强化沸腾换热性能。孔隙率对沸腾换热性能起决定性作用，孔隙率越低，沸腾换热系数越大；孔密度对沸腾换热性能起次要作用。90PPI泡沫铜样品，因其成核址密度高和毛细力较大，有助于提升泡沫铜的沸腾换热性能。     

加热功率对三角形微肋阵内流动与对流换热特性的影响

建立了三角形微肋阵对流换热性能测试系统, 以去离子水为工质对三角形微肋阵(d=247 μm, H=500 μm)的流动及对流换热特性进行了实验研究, 测试并得到了去离子水流经三角形微肋阵时压力降、阻力系数f及Nusselt数(Nu)等参数在不同Reynolds数(Re)及加热功率P下的变化规律, 分析了加热功率对于三角形微肋阵流动阻力及对流换热特性的影响机理。实验结果表明, Re为0~250范围内, 随加热功率增加三角形微肋阵阻力系数明显增大, 增加幅度最高可达200%以上;当Re>250时, 不同加热功率对阻力系数的影响显著减弱;而当Re>600时, 阻力系数几乎不再随加热功率增加而发生变化。当Re<250时, 随加热功率增加三角形微肋阵Nu逐渐增大, Nu增加幅度最高可达75%以上, 即加热功率增加可以强化对流换热;然而当Re>250时, 受三角形背风区旋涡演变的影响, Nu随加热功率增加而逐渐减小。     

多孔泡沫金属中等温竖壁面空气自然对流传热的积分解

应用边界层理论和局部热平衡传热模型,建立控制方程组,理论分析了多孔泡沫金属中等温竖壁面空气自然对流的传热特性。采用数量级分析法简化控制方程组,再进行积分求解。结果表明：多孔泡沫金属对自然对流具有强烈的扰动作用,使边界层发展很快,其厚度远大于光壁面时的边界层厚度,在等温竖壁面条件下本文所选的参数范围内(孔隙率0.9～0.95,孔密度5～40PPI),孔隙率越大、PPI越大,边界层也越厚;空气流速很快达到最大值,且此后的速度峰值几乎维持不变;自然对流传热的强化效果非常明显,相比光壁面,加入孔隙率0.9、孔密度5 PPI的多孔泡沫铝后其强化倍数达9以上,但孔隙率、孔密度增大时,流体边界层厚度增长过快,会使得传热恶化。     

细小尺度下潜热型功能热流体压降与传热特性

实验研究了相变微胶囊颗粒(囊芯材料为正十六烷,壳材为尿素-甲醛树脂)和去离子水混合制成的潜热型功能热流体流过等热流细小圆管的流动与传热特性,同时以去离子水作为传热工质在相同条件下进行了对比实验。得到了压降随质量流量的变化规律,实验段出、入口温度以及量纲1出口温度随Reynolds数变化规律,量纲1壁面温度沿轴向的分布规律,平均Nusselt数随Reynolds数的变化关系。结果表明,相变微胶囊颗粒的加入会导致流动压降增大,但随着流量增加,流动压降逐渐与单相液体的接近;出口温度及壁面温度要比相同条件下单相液体的低;含有较小相变微胶囊颗粒浓度的潜热型功能热流体的平均Nusselt数是相同条件下单相液体的2.0～4.0倍。     

以最佳温度均匀度和最小熵产为目标的航天器热循环试验系统运行参数优化

以数值模拟的方法研究了不同运行参数下航天器热循环试验箱内温度均匀度与熵产的变化规律。结果表明,在4.3×103≤Re≤8.6×105、4.62×1013≤Gr≤1.38×1014范围内,由于强浮升力的作用,壁面附近出现回流区,温度由上往下降低,中轴线附近气体加速下沉,温度由上往下升高。箱内量纲1温度标准偏差随Reynolds数增大而增大,随Grashof数变化不明显;混合对流过程中流动熵产远小于传热熵产,熵产数值随Reynolds数、Grashof数的增大而增大。提出了壁面Nusselt数、试验箱内量纲1平均温度、量纲1温度标准偏差及量纲1传热熵产随Reynolds数、Grashof数变化的关联式。     

基于六面体模型的开孔泡沫金属强化传热机理

由于在结构和强化传热方面的优越性,开孔泡沫金属在热交换方面具有广泛的应用前景。基于一种简化的六面体结构模型,采用商用软件FLUENT14.0模拟分析了三维矩形通道内泡沫金属流场分布情况,探讨了其强化传热机理。研究结果表明:流体流经泡沫金属时,其速度、温度、压力均呈周期性变化。流体在泡沫金属内速度不断增加,在骨架前部流速突然降低,雷诺数增加,流速跳跃的振幅增大;高温流体流进泡沫金属时,温度先缓慢地升高,在流经泡沫金属骨架后迅速下降,雷诺数越大,流体的温度越高,靠近骨架壁面的温度也越高;流体流经骨架时,压力骤降且在骨架后部形成涡流;其换热能力和压降随着孔密度的增大而增大,随着孔隙率的增大而减小。     

以最佳温度均匀度和最小熵产为目标的航天器热循环试验系统运行参数优化

以数值模拟的方法研究了不同运行参数下航天器热循环试验箱内温度均匀度与熵产的变化规律。结果表明,在4.3×10³≤Re≤8.6×10⁵、4.62×10¹³≤Gr≤1.38×10¹⁴范围内,由于强浮升力的作用,壁面附近出现回流区,温度由上往下降低,中轴线附近气体加速下沉,温度由上往下升高。箱内量纲1温度标准偏差随Reynolds数增大而增大,随Grashof数变化不明显;混合对流过程中流动熵产远小于传热熵产,熵产数值随Reynolds数、Grashof数的增大而增大。提出了壁面Nusselt数、试验箱内量纲1平均温度、量纲1温度标准偏差及量纲1传热熵产随Reynolds数、Grashof数变化的关联式。     

内壁填充环状金属泡沫的管内流动凝结换热

通过采用在圆管内壁填充环状金属泡沫的方法强化管内对流凝结换热,实验研究了制冷剂R134a在内壁填充环状金属泡沫管内的流动凝结的压降和换热,克服了完全填充金属泡沫管流动阻力大的缺点。用于计算传热系数的管壁温度通过热电偶测量得到。综合分析了质量流速和两相流体干度对流动凝结压降及传热系数的影响。研究结果表明内壁填充环状金属泡沫管压降远大于光管,压降随质量流速和干度的增加而迅速增大且呈非线性。通过壁面温度分布和温度波动对内壁填充环状金属泡沫管内的两相流型进行判别,发现影响该类强化管凝结换热的两种主要流型：分层流和环状流。内壁填充环状金属泡沫管的凝结传热系数大于光管,且随着质量流速和干度的增加传热系数增大,该类强化管流动凝结传热系数是光管的2倍左右。     

R1234ze(E)在泡沫金属管内的流动沸腾换热和压降特性

泡沫金属具有超大比表面积和高热导率,将其填充于换热管内可用于制冷空调系统的强化传热。研究了R1234ze(E) 在泡沫金属管内的流动沸腾换热和压降特性。实验工况为：干度0.1~0.9,质流密度90~180 kg·m^-2?s^-1,热通量12.4~18.6 kW·m^-2。测试样件为泡沫铜填充管,孔密度为10~40 PPI、孔隙率为90%~95%。实验结果表明,R1234ze(E) 比R410A的传热系数低2%~10%,两相压降低30%~42%;当干度大于0.8时,低质流密度下泡沫金属管内传热系数随干度的增加增幅更大;泡沫金属在强化流动沸腾换热的同时,造成压降显著增加,换热影响因子的范围为1.23~2.90,压降影响因子的范围为6~45。开发了适用于R1234ze(E) 的泡沫金属管内流动沸腾换热和压降关联式,传热系数和两相压降的预测值与95%的实验值误差分别在±15%和±25%以内。     

高孔密度下泡沫铜的填充率对石蜡融化传热机理的影响

基于石蜡和高孔密度的泡沫铜制备了复合相变蓄热材料,设计并搭建了一套可视化蓄热实验装置,分析了高孔密度下泡沫铜填充率对石蜡相变过程的强化传热机理,得到了复合相变蓄热材料的综合传热系数。实验结果表明,当泡沫铜填充率为0、0.43%、1.29%和2.15%时,复合相变材料的综合传热系数先减小后增大,分别为1.26W/(m·K)、1.18W/(m·K)、1.44W/(m·K)和1.88W/(m·K),因此随着泡沫铜填充率的增加,复合相变材料的融化时间先增长后缩短。此外,随着泡沫铜填充率从0.43%增至2.15%,复合相变材料融化时传热机制中导热占比从17.26%上升到86.01%,自然对流占比从82.74%下降到13.99%。     

泡沫金属强化石蜡相变蓄热过程可视化实验

相变材料的低热导率是限制潜热蓄热广泛应用的重要原因。将相变材料石蜡真空条件下注入到泡沫金属铜内制备泡沫金属铜-石蜡复合相变材料,通过铜的高热导率及高孔隙材料的大面体比来强化相变换热过程。采用DSC示差扫描量热法对石蜡进行热物性测量获得准确的石蜡相变温度及相变潜热。以管壳式相变蓄热结构为对象,提取对称结构进行可视化设计,对比纯石蜡及泡沫金属铜-石蜡复合材料在相同运行条件下的相变过程,追踪二者熔化过程的相界面位置随时间的演化过程并布置热电偶准确测量材料内部的温度分布。结果显示加入泡沫金属后的复合材料的内部温差明显减小,温度分布均匀,蓄热热通量显著增大,有效缩短相变时间并缓解了自然对流造成的顶部过热和底部不熔化现象。     

水在开孔泡沫铜中的池沸腾传热特性

对常温、大气压下水在开孔泡沫铜中池沸腾的传热特性进行了试验研究,观察了开孔泡沫铜中汽泡的生长特性及其变化规律,并与水在光管加热面的池沸腾特性进行了对比。试验结果表明:水在泡沫铜中池沸腾时,汽泡脱离直径和汽泡脱离频率随热通量的增加而不断增大,泡沫铜对水的池沸腾传热具有很好的强化效果。根据试验结果,得到了水在开孔泡沫铜中池沸腾传热的传热系数拟合关联式,为进一步的研究提供了依据。     

梯度金属泡沫池沸腾过程中气泡脱离特性

利用实验手段对梯度金属泡沫池沸腾过程中气泡脱离行为特性进行了探究。实验工质为去离子水、浓度分别为400 mg·L^-1和800 mg·L^-1的正庚醇溶液。梯度金属泡沫材质为铜和镍,铜泡沫层和镍泡沫层厚度均为4 mm,孔密度分别为40 PPI和10 PPI。实验结果表明：添加正庚醇会使池沸腾气泡脱离直径变小,数目减少,但其浓度变化影响不明显;在热通量6.6×10⁴ W·m^-2沸腾时,观察到气泡脱离金属泡沫骨架阻碍两种常见运动形式：气泡破裂和整体滑移;当热通量增加到1.0×10⁵ W·m^-2时,相邻的两个气泡在梯度金属泡沫内合并成一个大气泡脱离金属泡沫。     

新型金属泡沫-微柱群复合热沉内流动传热性能分析

高效热管理技术是大功率微电子设备安全运行的可靠保障。为进一步强化高功率电子器件的冷却效果,本文提出了一种新型泡沫铝-微柱群复合热沉结构。采用实验和数值模拟相结合的方法对新型水冷泡沫铝-微柱群复合热沉内的流场分布、壁面温度分布、阻力系数、换热性能及柱鳍与泡沫铝间的耦合传热规律等开展了深入分析。研究结果表明,与传统微柱群热沉相比,20PPI泡沫铝-微柱群复合热沉的壁面最高温度大幅降低,平均换热性能提升了33.9%~41.5%。然而,微柱群内填充泡沫铝却导致流动阻力增大,增加了7.9~10.5倍。泡沫铝-微柱群复合热沉的强化换热机理为：微柱群热沉内填充高热导率泡沫铝提升了热沉整体的有效导热性能,热量可通过金属泡沫固体骨架迅速传递,同时多孔界面较强的传热能力能够保证热量及时被冷却流体散除。本文相关研究成果可为高热流密度电子器件散热装置的研发提供理论指导。     

亲疏水性对泡沫金属池沸腾换热特性的影响

随着航空飞机和航天器不断向高性能发展,热控制系统的紧凑性和散热效率亟需提高。泡沫金属具有超大的比表面积和高热导率,在航空航天热控制领域具有良好的应用前景。对亲水性和疏水改性泡沫金属内的池沸腾换热特性进行了试验研究,并与未改性泡沫金属进行对比,得出了亲疏水性对不同孔密度和孔隙率泡沫金属池沸腾换热特性的影响规律。测试样件为泡沫铜,孔密度为5、20和40 PPI,孔隙率为85%和95%。结果表明,疏水改性可使泡沫金属内池沸腾的起始过热度降低20%～30%;疏水改性泡沫金属和亲水改性泡沫金属分别在低热通量（q<4×10⁵ W/m²）和高热通量（q≥4×10⁵ W/m²）条件下具有最佳的沸腾换热性能;表面改性对于低孔隙率泡沫金属内池沸腾强化换热效果更加显著,且亲水改性的强化效果优于疏水改性。     

湿空气在泡沫金属内析湿过程的换热与压降特性影响因素分析

实验研究了湿空气在泡沫金属内流动析湿过程的换热和压降特性,分析了不同因素的影响规律。研究结果表明:随着入口空气相对湿度的增大,凝结水增多,使泡沫金属的换热量和压降均增大;当入口相对湿度从50%增大到90%时,换热量和压降最大增加了67%和62%;随着入口空气温度的升高,泡沫金属换热量和压降增大;随着冷却水温度的升高,泡沫金属的换热量和压降均下降;随着孔密度的增大,压降增大,但由于受到凝结水影响,总换热量会先减小后略有增大;泡沫金属的迎风高度越大,总换热量和压降越大。