不同扰流结构冷板传热性能研究

冷板是电子设备间接液冷系统的核心部件,在冷板内部流道增加扰流柱可以提高冷板的传热能力,在进行冷板扰流柱的设计时需兼顾降低热源温度与降低流体流过流道的压力损失两方面。结合热源温度、流体压降以及动力源耗能等因素,对内部流道含有菱柱、圆柱、水滴柱扰流结构的冷板的传热性能进行了研究。研究结果表明：含有水滴柱扰流结构的冷板的传热性能最好,且水滴扰流柱长宽比例在2.5∶1时冷板的传热性能最佳,通过缩小扰流柱尺寸、增加扰流柱数量及密度的方式可进一步提高冷板的传热性能。在本研究所实验测试的工况中,水滴柱扰流结构冷板相较于无扰流冷板,散热效果提高了60%左右。     

复杂结构微通道热沉液体强化传热过程的热力学分析

微通道液体流动与传热是一个典型的不可逆过程,有必要减小传递过程中的不可逆损失大小,提高其有效利用程度,属于"质"的范畴。首先,根据热力学第一及第二定律,推导出了熵产率及热能传输系数,指出降低微通道热沉内液体温度梯度净值可以提高热能的有效利用程度;然后,基于前期的研究基础,设计出新型复杂结构微通道热沉,并模拟其三维流动与传热过程,对比分析微通道热沉结构的变化对熵产率及热能传输系数的影响,结果表明降低流体温度梯度的净值可以减少热能不可逆损失的大小,使热沉底面温度更均匀,有利于延长微电子器件的寿命;最后,由强化传热因子、熵产率及热能传输系数的定义指出用强化传热因子来评价微通道的综合传热性能更合理,而应该用熵产率及热能传输系数来评价能量的不可逆大小及利用程度。总之,热力学第一定律为微通道的综合传热性能提供了评价标准,而热力学第二定律指出了影响微通道内部强化传热的本质因素,二者相互联系,为微通道的优化设计提供热力学理论。     

管内周期性自旋流强化传热的结构优化

在圆管内间隔插入多个旋流片的流道中,流体流动呈现周期性自旋流.用数值模拟方法对空气湍流情况的传热和流阻性能受相邻旋流片间距L_p、旋流角β和旋转角α3个因素的影响进行了分析,并得出旋流片的优化结构,而且实验验证了数值模拟预测的正确性.结果表明：α越大,传热性能越好,阻力越大;L_p越小,传热性能越好,阻力越大;β越大,传热性能越好,而阻力损失因受到摩擦阻力和形体阻力的综合影响而呈现非单调变化.旋流片的最佳结构参数为：旋流角β为20.3°,旋转角α为180°,相邻旋流片间距L_p为33d.与α相比,β对传热和流阻性能的影响更显著.     

管内扰流元件的强化传热原理与性能指标研究进展

扰流元件是一种简易、有效的强化传热方法。扰流元件主要应用于管壳式换热设备的换热管内,通过对管内流体的分流与旋流作用,使管内流体边界层变薄,污垢沉积始终处在较低水平,增大流体的管内对流传热系数,从而到达强化传热的效果。本文综述了多种扰流元件的国内外研究进展,并阐述了它们产生强化传热的机理、结构特点及适用场合。应用综合考虑扰流元件的强化传热效果与引起压力降增加的方法,比较了各种扰流元件的优缺点。总结了扰流元件的性能指标参数及其计算方法。总结了计算流体力学软件与冷模实验相结合的方法以及这种方法的应用场合。结合作者设计扰流元件的实践经验,给出了工程应用时计算流体力学软件与冷模实验相结合的实验方法以及扰流元件的选型设计方法与步骤。     

复杂结构微通道热沉液体强化传热过程的热力学分析

微通道液体流动与传热是一个典型的不可逆过程,有必要减小传递过程中的不可逆损失大小,提高其有效利用程度,属于“质”的范畴。首先,根据热力学第一及第二定律,推导出了熵产率及热能传输系数,指出降低微通道热沉内液体温度梯度净值可以提高热能的有效利用程度;然后,基于前期的研究基础,设计出新型复杂结构微通道热沉,并模拟其三维流动与传热过程,对比分析微通道热沉结构的变化对熵产率及热能传输系数的影响,结果表明降低流体温度梯度的净值可以减少热能不可逆损失的大小,使热沉底面温度更均匀,有利于延长微电子器件的寿命;最后,由强化传热因子、熵产率及热能传输系数的定义指出用强化传热因子来评价微通道的综合传热性能更合理,而应该用熵产率及热能传输系数来评价能量的不可逆大小及利用程度。总之,热力学第一定律为微通道的综合传热性能提供了评价标准,而热力学第二定律指出了影响微通道内部强化传热的本质因素,二者相互联系,为微通道的优化设计提供热力学理论。     

扰流子强化换热器传热的研究与应用

一、前言换热器是石油化工厂重要设备,强化换热器的传热是炼厂提高生产能力,节省投资及节能的重要手段。用管内插入物强化管内流体传热是提高管内膜传热系数的一种行之有效方法。管     

扭带结构影响管内传热与熵产的研究进展

随着工业技术不断发展,传统换热管的传热方式已经无法满足高热流密度下的热量输运要求。扭带插入物是一种能够有效提高换热管传热效率的强化传热元件,以其结构简单、加工容易的特点受到了很多学者的关注和研究。管内流体的传热性能及熵产往往作为评价换热管性能的重要参数,因此扭带结构与流动工质对这些参数的影响成为近年来研究的重点。本文主要综述了近十年来不同结构扭带对管内传热与熵产影响的研究进展。首先,将文献中研究的扭带按照几何结构进行分类,阐述和分析了不同类型扭带对换热管的传热、熵产以及综合性能的影响,试图找出几何结构与换热管传热性能以及熵产之间的联系。其次,介绍了扭带与纳米流体复合传热技术的研究进展。最后,归纳了研究人员为达到传热性能最大化以及熵产最小化而建立的传热和熵产模型,并对模型的优缺点进行了评价。     

竖直窄矩形通道内环状流的流动传热特性

为了研究竖直窄矩形通道内环状流的流动传热特性,建立了窄矩形通道内环状流的数学物理模型,并进行了实验验证。通过数值求解环状流的数学物理模型得到了环状流区域的压降梯度、沸腾传热系数和液膜内的速度分布。结果表明窄矩形通道内的环状流模型能够很好地预测环状流区域的压降梯度和沸腾传热系数,而且环状流液膜内速度在法向的分布是非线性的,在层流边界层区速度梯度较大。热通量和窄矩形通道的尺寸对液膜的流速有很大影响,随热通量的增加和窄矩形通道尺寸的减小液膜的流速逐渐增加,然而质量流速对液膜流速的影响较小,而且随质量流速的增加液膜的速度逐渐减小。     

周期性变截面微通道结构参数对流体流动和传热的影响

周期性变截面微通道扇形凹穴的设计,使通道内流体流动分为等直径流速型和弧形流速型,因此微通道的等直径段和弧形段的长宽度等结构参数对流体流动和传热有重要影响。针对周期性变截面微通道单相液体流动与传热特性,利用计算流体力学(CFD)模拟与分析软件进行了三维数值模拟。模型采用有限体积法离散、SIMPLEX算法进行层流计算。分析结果显示,等直径段和弧形段的长宽度等结构参数对周期性变截面微通道流体流动特性和传热特性有重要影响。在本文的模拟条件下,u=4 m·s^-1时,其最佳结构参数范围为0.151/L₂<2,1.42/W₁<2.1。     

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。     

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。     

插入扰流元件换热管强化换热效果分析

设计了一种新型插入扰流元件管式换热器,并依据相关文献的模拟数据将其与波纹管、光管在不同流速下的管内壁面平均传热系数、换热量、平均Nusselt数以及摩擦阻力的变化特性进行了分析比较。结果表明:插入扰流元件换热管在强化换热能力的同时其压力损失也会很大,所以在实际应用过程中选取插入扰流元件换热管时一定要考虑其经济性;在泵功率消耗一定时,插入扰流元件换热管的热效率与波纹管的热效率很接近。但插入扰流元件换热管在制造工艺上具有加工方便、固定灵活等优点,比较适合对现有换热器的改造。所以,该种热管同样具有广泛的应用价值。     

氧化石墨烯/自湿润流体脉动热管的传热特性

以氧化石墨烯分散液(浓度为0.5mg/mL)和正丁醇水溶液(质量分数为0.5%)的混合溶液(体积比2:5)为工质,充液率为50%,对不同加热功率条件下环路脉动热管稳定运行的传热特性进行实验研究,并与正丁醇水溶液和去离子水的传热性能进行对比,分析了混合溶液在脉动热管稳定运行时冷热端温差和传热热阻的变化特点,探究了氧化石墨烯对自湿润流体传热性能的影响。研究结果表明:在自湿润流体中加入氧化石墨烯能够强化脉动热管的传热特性,但是和脉动热管的加热功率密切相关;在低加热功率下,氧化石墨烯对自湿润流体脉动热管的传热特性没有强化作用;随着加热功率的增加,强化作用明显增强,而当加热功率过大时,强化作用又会逐渐减弱。     

凹槽表面的流动与传热特性

采用大涡模拟对底面为凹槽的矩形通道内湍流流动与传热特性进行了研究,为验证所采用数值方法的准确性与可靠性,将平直矩形通道内模拟结果与文献中的直接数值模拟结果进行了比较,换热面Nusselt数与采用Dittus-Boelter公式计算所得Nu进行了比较,计算误差小于5%。以凹槽表面为底面的矩形通道的数值模拟结果表明:通道底面的凹槽结构改变了凹槽表面处流动结构,不同的凹槽高度和长度对流动阻力和换热效果的影响不同,在特定的几何参数下,与平直矩形通道相比,凹槽表面时均Nusselt数提高了近50.5%,时均摩擦阻力系数减小了近35.17%,综合系数增加了73.89%。通道内的流动结构显示:凹槽表面附近存在流体垂直流向壁面区域,在垂直流动区域内流体出现前、后分流,分流位置处Nusselt数增加明显,摩擦阻力系数没有明显增加,其综合流动特性最好。     

不同截面形状超疏水微肋阵内对流换热特性

通过在圆形、菱形以及椭圆形微肋阵表面固化含有微纳米颗粒涂层制备超疏水微肋阵,并对不同截面形状超疏水微肋阵内流动与对流换热特性进行实验研究,测量得到了超疏水处理前后各截面形状微肋阵内流动阻力系数f以及Nusselt数。此外,通过计算超疏水微肋阵内的综合传热强化因子ε,定量分析了超疏水处理对不同截面形状微肋阵内流动与换热特性的综合影响。研究结果表明,超疏水处理后圆形、菱形、椭圆形微肋阵内摩擦阻力系数与未处理前相比最大可降低72%、66%、70%;同时,3种截面微肋阵内Nu有所降低,且疏水前后微肋阵Nu偏差随加热功率的增加逐渐减小,高加热功率下3种微肋阵超疏水处理前后Nu偏差最大分别不超过44%、17%、47%;高加热功率下超疏水菱形微肋阵在Re<1200范围内具有良好的综合传热强化性能,ε始终高于1.17。     

直接接触冷凝器中流动及传热特性

利用SV型和SK型静态混合器,并以粉末烧结的微孔钛曝气器为气体分布器,开发出一种新型直接接触冷凝器。在空气-水和水蒸气-水体系中测试并比较2种新型直接接触冷凝器的流体力学性能及冷凝传热性能。结果表明:装有SV型静态混合器的新型直接接触冷凝器较装有SK型静态混合器的新型冷凝器对水蒸气的分布更加均匀,具有更好的吸收效果,钛曝气器的利用可有效提高换热效率,并降低水蒸气冷凝所引起的振动与噪声。     

封闭空腔中多相流振荡传热特性的数值模拟

振荡强化传热在内燃机活塞和气门中得到广泛应用,但是其热量输运机理了解还不够深入,目前仍然主要基于经验进行活塞和气门冷却结构的设计,这无疑使得系统传热量难以准确确定。采用CFD动网格技术和VOF多相流模型,对封闭空腔中填充部分冷却介质的振荡传热进行了数值计算,分析了对流传热系数随转速、冲程以及填充率的变化规律。结果表明:振荡能够明显地强化传热,转速是影响振荡强化传热的主要因素,强化传热的效果随着转速以及活塞冲程的增大而增强;当冷却介质填充率在30%～60%范围内时,强化传热效果明显,但当冷却介质填充率超出此范围时,传热效果变差。分析结果对内燃机活塞及气门的冷却设计具有指导意义。