微通道内流动沸腾不稳定性影响因素实验研究

微通道沸腾不稳定性降低设备运行性能及传热特性。设计入口集成种子汽泡发生器的三角形硅基微通道热沉。搭建同步光学可视化测量实验台。研究加热膜长度、质量流量及种子汽泡触发频率对微通道内沸腾不稳定性及传热影响。结果表明:加热膜长度和质量流量作为控制沸腾不稳定性的关键参数,加热膜长度越长或质量流量越低,沸腾起始点和临界热流密度越早发生。单相液体区域,热流密度增大,压降略微降低,温度线性升高。汽液两相区域,热流密度增大,压降迅速增大,温度呈指数式上升。触发种子汽泡作为一种主动式控制技术,沸腾不稳定性得到抑制或消除,换热得到显著增强,是一种值得推广的技术。     

液滴滴浸微通道入口段的动力学特性分析

采用流体体积(Volume of Fluid, VOF)函数捕捉气液相界面,研究液滴滴浸微通道入口段的运动,通过改变微通道入口段的截面宽度、润湿特性及液滴雷诺数(Re)和韦伯数(We)研究滴浸过程的动力学特性。结果表明,微通道入口段的截面宽度对液滴浸入微通道时的撞击过程影响最明显,随截面宽度减小,液滴撞击通道入口后通过微通道的难度增加,整个过程液滴所受阻力逐渐增大;当微通道截面宽度减至0.2 mm时,壁面润湿性效应凸显,表现为壁面静态接触角越大,液滴滴浸微通道时所受的阻力也越大。表面接触角较大时,为使液体通过微通道入口段,可适当增大液滴的Re,液体在通道内的浸润长度随Re增加成比例增大,当Re增至4000时,通道内开始出现射流现象。We减小,表面张力效应变得明显,通道内的流动阻力变大,液体流过微通道入口段的难度增大。     

微通道狭缝冲击射流热沉换热及热应力模拟

为研究纳米流体种类及浓度、热沉材料、狭缝长宽比对热沉换热性能及热应力的影响,建立了微通道狭缝冲击射流热沉三维模型.利用数值模拟得到纳米流体在通道形状为圆形和矩形热沉中的压降、热阻、泵功及壁面与流体之间的温差大小,同时也得到不同材料的热沉由于温度分布不均匀而引起的形变量的大小,研究结果表明:通道形状为圆形的热沉在导致泵功...     

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。     

均流腔对微通道内沸腾流动传热的影响

针对平行微通道散热器的沸腾流动不稳定性问题，以R134a制冷剂为工质，研究了内圆弧过渡形均流腔微通道散热器(MC-C)与传统方形均流腔微通道散热器(MC-S)的沸腾流动与传热特性。结果表明，与MC-S微通道相比，MC-C微通道入口均流腔减小了对工质的流动阻力，出口均流腔促进蒸气从散热器中排出，MC-C微通道的各微流道中的流型更加均匀。MC-C微通道沿程壁面温度先增大后减小再增大，MC-S微通道沿程壁面温度先减小后增大，相同工况下MC-C微通道可以实现更低的壁面温度。两种均流腔结构微通道的传热系数随质量流量增大而增大，随热流密度增大而增大；相同工况下MC-C可以实现更高的传热系数。当热流密度为242.6 kW/m2时，MC-C微通道较MC-S微通道的壁温最大降低了2.8℃；质量流量G=572 kg/(m2·s)时，随热流密度升高，MC-C微通道较MC-S微通道的沿程最大温差最多降低了2.2℃；当热流密度为242.6 kW/m2时，MC-C微通道较MC-S微通道平均传热系数最大提高了20.2%。     

微注塑充模过程中壁面滑移对熔体流动影响的研究*

针对微型塑料件注塑充模过程中,壁面滑移对流动的影响不可忽略的情况,运用流体分析软件Fluent,以微阶梯圆形截面通道为模型,在考虑和不考虑壁面滑移的情况下,对微注塑充模流动过程中壁面滑移的影响进行了数值模拟。分析了细通道近壁面处熔体的剪切速率和黏度,发现考虑壁面滑移时近壁面处的剪切速率略大,黏度略低。研究了熔体在粗通道和细通道中沿径向的流动速度和温度分布,以及沿微通道流动方向上的压力分布。结果表明,考虑壁面滑移时熔体流动速度较大,与壁面接触的熔体流动速度不再为零,且微通道截面尺寸越小,这种现象越明显;考虑壁面滑移时近壁面处熔体温度略高,并且粗通道中的这种现象更明显一些;壁面滑移对微通道中的压力分布几乎没有影响。总体而言,壁面滑移有利于微注塑充模。     

基于金字塔形扰动结构的双层梯形微通道热沉传热性能模拟

随着电子器件功率的不断增加,其热流密度也相应提高。良好的热管理是保证电子器件安全平稳运行的重要条件。基于Hosseinpour与Sharma等的研究结果,本文设计了一种金字塔形扰动结构的双层微通道热沉,提高了微通道热沉换热能力。选取去离子水作为换热介质,通过数值模拟的方法建立并分析了基于金字塔形扰动结构的双层梯形微通道热沉模型,得出优化结构尺寸。研究表明,当微通道热沉流体雷诺数在468附近、扰动结构间距在300μm附近、扰动结构底高比在0.6附近时,该微通道热沉具有相比其他工况较优的换热性能;在Re=800的相同条件下,本文与Sharma等的研究结果相比,微通道热沉总热阻降低了26%;与普通双层梯形微通道热沉相比,具有金字塔型扰动结构的双层梯形微通道热沉的强化传热系数PEC为1.28。     

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。     

新型多孔微热沉流动与传热的耦合数值分析

提出一种新型的多孔微热沉系统来实现高热流密度电子元器件封装散热的需求,分析了多孔微热沉系统的工作原理和特点,建立了微热沉金属壁面的传热以及多孔区域的流动与传热的耦合数学模型,并用SIMPLE算法对其进行整场求解,详细讨论了不同的热流、回流液入口速度以及进口位置对多孔微热沉传热性能的影响。数值计算结果表明,多孔微热沉在高热流密度情况下,加热表面能维持较低的温度水平。热流越大,加热表面的温度就越高;增加回流液体的入口速度可以明显的降低微热沉加热表面及底面的温度水平;多孔微热沉的下进口方式能够减小散热表面温度的不均匀性。多孔微热沉系统能有效解决高热流密度电子元器件的散热问题,提高器件可靠性与使用寿命。     

方形微通道热沉的耗散优化分析

基于CFD软件建立了两种不同结构的方形微通道热沉,并对其进行数值计算,模拟得到热沉的温度场和压力场。在此基础上,研究了不同微通道分布方式、不同质量流率和不同热通量对热沉的温度、压降的影响,同时基于耗散理论对比分析来获得方形微通道热沉换热效果较好的优化方案,在固定边界热流条件下,耗散越小,换热效果越好。计算结果表明：随着质量流率的增大,热沉温度逐渐降低,进出口压差逐渐增大,PEC逐渐增大,耗散逐渐减小;随着热通量的增大,热沉温度逐渐升高,进出口压差逐渐降低,PEC逐渐增大,耗散逐渐减小。微通道分布方式为上层内切圆半径-下层外接圆半径分布时热沉的温度更低,PEC更大,耗散更小,传热效率更高。     

低压蒸汽环境中水蒸发界面温度和蒸发速率的实验研究

蒸发相变广泛存在于薄膜过程及晶体生长等工业生产和日常生活中,液层表面蒸发和热毛细对流相互影响、相互制约,使得蒸发界面能量传递机制变得非常复杂。为了深入了解水在低压纯蒸汽环境中的蒸发特性,对环形液池内水蒸发时的温度分布和蒸发速率进行了一系列实验研究。环形液池壁温控制在3~15℃之间,蒸发环境压力在394~1467 Pa之间变化,开始测量时液层深度为10 mm。结果表明,蒸发界面气相侧温度总是高于液相侧,气液界面存在明显的温度跳跃。随着压比减小,蒸发速率增加,界面温度跳跃随之增大;随着距壁面距离增加,局部蒸发速率降低,温度跳跃值减小;相同压比下,随着壁面温度的升高,气相侧热通量减小,蒸发界面温度跳跃值整体降低;在实验范围内测得的最大温度跳跃值为2.56℃。由于蒸发冷却效应和热毛细对流的耦合作用,蒸发界面下液相侧存在一个厚度为2 mm左右的温度均匀层,且壁面附近温度均匀层厚度大于中间区域厚度。在温度均匀层内,径向温度梯度诱导的热毛细对流将热量从壁面传输至气液界面以补偿蒸发所需汽化潜热;在温度均匀层以下,浮力对流和导热共同作用使得液相温度迅速升高。     

矩形通道干涸后最小膜沸腾传热试验研究

在中国核动力研究设计院流动传热基础试验平台上进行了矩形通道干涸后最小膜沸腾传热试验。通过对各种热工水力参数的试验研究,得出结论:随着进口含汽质量分数的增加,最小膜沸腾热流密度减小,含汽质量分数增加,壁面温度降低,传热系数减小;随着质量流速的增大,最小膜沸腾热流密度增大,含汽质量分数减小,壁面温度升高,传热系数增大;随着系统压力的升高,最小膜沸腾热流密度增大,含汽质量分数增加,壁面温度升高,传热系数增大;相对于偏离泡核沸腾(DNB)后最小膜沸腾,干涸后最小膜沸腾的热流密度更大,壁面过热度较低,传热系数更大。     

入口位置及角度对微通道散热器内流体流动与传热的影响

为进一步提升等截面微通道热沉的散热性能,本文设计了双进口-单出口型微通道热沉,并采用数值模拟的方法研究了入口上侧边布置、左侧边布置以及不同入口角度时去离子水在微通道热沉内的流动和传热特性。结果表明,进出口布置方式对微散热器内各通道流量分配有很大影响,而流量分配直接影响热沉的温度分布。入口上下侧边布置时流体的分布更加均匀,热沉的热阻和泵功较小。入口角度的减小降低了热沉底面温度,并使底面温度更加均匀。当Re=365时,θ=45°的底面最高温度比θ=90°时降低了1.91℃,但泵功却显著增大。     

液氮过冷沸腾壁面换热特性的数值研究

应用计算流体力学(CFD)研究手段,对液氮过冷沸腾过程进行了模拟。系统分析了过冷沸腾壁面换热过程中存在的各传热模式,得到3部分热流沿管长的分布规律。计算结果表明,在过冷沸腾后期,蒸发热流成为壁面换热的主要模式。同时,就壁面热流密度的变化对3部分热流的影响进行了分析。随着壁面热流的增加,过冷沸腾出口处淬火热流和对流热流将减小,只有蒸发热流增大,且所占总热流份额绝对占优,壁面热流的增加促进了沸腾换热。     

微通道环形排列结构塑料管道的成型工艺研究

基于自主研发的塑料微结构制品挤出加工平台,首次提出了由聚氨酯弹性体制成的壁面内有序排列有24个微米级的长直中空微通道的塑料管道;研究了环形微通道结构管道的成型过程中牵引比、注气压力和空气段长度等工艺参数对制品成型质量的影响规律(注气压力:0.21~0.36kPa,空气段长度:35~110mm,牵引比:2.4~14.1)。结果表明,调控牵引比和空气段长度可以显著改善离模膨胀,影响微通道制品的整体尺寸,且与整体尺寸变化成负相关,但不影响截面形状;而通过调节注气压力则可以明显改变截面的形状比例,抵消离模膨胀作用,影响微通道形状,但不影响整体尺寸。     

方肋微通道内流动沸腾的气泡动态与传热特性分析

为揭示方肋微通道热沉内流动沸腾的传热传质机理,本文基于耦合VOF方法与“饱和界面”相变模型对微通道内单个气泡绕流加热方肋的传热传质过程进行了数值研究。通过分析该过程中气泡增长速率与方肋壁面传热系数的变化,重点讨论了初始气泡体积和入口雷诺数Re对相变传热效率和流动结构的影响。结果表明：在气泡流经加热方肋过程中,气泡与方肋表面之间形成一层薄液膜,该薄液膜的相变蒸发极大强化方肋表面的换热效果,换热系数较相同条件下的单相流动提升6倍以上。此外液膜厚度随Re增大而变厚,液膜热阻相应增大,液膜蒸发对换热的促进作用随Re增大而降低。最后考察了气泡体积对方肋壁面换热的影响,结果表明：初始体积大的气泡具有更薄的液膜厚度及更大的蒸发面积,表现出更高的相变传热效率;而小气泡对壁面温度影响较小。     

亚临界压力下碳氢燃料在不同长度通道中反应特性研究

研究了亚临界压力条件下碳氢燃料在主动冷却通道中随管长变化的反应特性,结合裂解产物、产气率、热沉以及结焦等确定了适合燃料裂解的温度与管长。结果表明,管长变化引起的停留时间改变对燃料反应特性影响明显。管长增加可以有效提高550~750℃温度段的产气率与热沉,管长达到8 m时反应趋于平衡。温度高于800℃后,燃料放热反应加剧,升高温度或增加管长都不利于产气率与热沉的提高。产气组分特性表明,烯烃含量随管长的增加而降低,烷烃变化趋势则与之相反。高温条件下,壁面热流是影响碳氢燃料结焦的关键因素,该条件下碳氢燃料最低结焦对应管长约为1 m。     

微柱结构表面核态沸腾单气泡的数值模拟

利用计算流体力学方法（computational fluid dynamics, CFD）对三维均匀微柱结构表面单气泡核态沸腾过程进行数值模拟研究,使用VOF模型（volume of fluid model, VOF）在界面网格追踪加密的条件下精确捕捉气液界面,同时考虑气液界面和微层处的蒸发,准确获得三维微柱表面单气泡核态沸腾过程中的气泡动力学、温度演化和蒸发换热性能。结果表明,气泡脱离时间为1.79ms,体现了微柱结构促进气泡脱离的强化作用。通过气泡横向和纵向直径的变化准确表征了气泡在脱离过程中的变形过程,并模拟得到该过程流场热边界层及壁面温度的演变规律。同时,通过微层蒸发和气液交界面蒸发功率随时间变化的监测,指出气泡生长过程微层蒸发量占总蒸发量的52%;t=0.95ms后微层蒸发消失,气液界面蒸发维持相对稳定值（0.1~0.2W）直至气泡脱离。蒸发换热特性耦合气泡与壁面接触情况随时间的变化,揭示了单气泡核态沸腾过程蒸发换热机理的阶段性特征及时间分区,为在核态沸腾单个气泡生长脱离过程中更准确划分时间阶段、建立沸腾换热模型奠定基础,提供了参考。     

微槽群蒸发器在电子芯片冷却方面的应用

利用微槽群蒸发型热沉技术设计了一种新颖的用于电子芯片散热的微槽群蒸发器,对影响微槽群蒸发器散热性能的各种因素进行了实验研究.实验结果表明,采用适当的真空度和液容率,可以提高微槽群蒸发器的散热效果.通过与主流的奔腾4 CPU芯片风冷散热器的散热性能比较发现,在低于芯片许容上限温度（100 ℃）的范围内,微槽群蒸发器具有更高的散热热流密度;微槽群蒸发器更适用于具有高发热热通量和热敏性强的高性能电子芯片的冷却.     

入口角度及壁面性质对蛇形微通道内弹状流流动特性影响的格子Boltzmann模拟

在Y型汇流的矩形截面蛇形微通道内,采用格子Boltzmann方法对不同壁面性质的蛇形微通道内弹状流流动进行了数值计算。首先以空气和水为工作流体对气液两相流动进行模拟研究并通过实验进行验证。通过验证实验后,模拟计算了气相速度,Y型夹角和壁面性质对气泡长度的影响,以及Y型夹角对微通道内弹状流压降和流动阻力的影响;探讨了粗糙度与壁面润湿性对流动阻力的影响;同时,针对蛇形微通道弯管部分,分析了角度和壁面性质对弹状流流动的影响。通过计算,发现当壁面接触角及Y型夹角为90?时,气泡长度最大;当直微通道为亲水性光滑壁面,回转弯道为粗糙度较大的疏水壁面时,Po数较小。