微通道内纳米制冷剂流动沸腾传热预测模型

以R141b制冷剂为基液,Al_2O_3为纳米颗粒,采用两步法制备了质量分数分别为0.2%、0.5%和0.8%的Al_2O_3-R141b纳米制冷剂,并进行了纳米制冷剂及R141b纯制冷剂在水力直径为1.33 mm的矩形微通道内流动沸腾传热实验。实验工况范围:饱和压力为176 k Pa,入口过冷度为6~12℃,体积流量为20~50 L/h,热流密度为11.1~26.6 k W/m~2。实验结果与7个纯工质传热模型、2个纳米制冷剂传热模型进行比较评价。结果发现,在本实验研究范围内,纯工质传热模型不适用于纳米制冷剂传热系数的预测;Peng-Ding纳米制冷剂传热模型与KimMudawar纯工质传热模型组合对纳米制冷剂传热系数的预测值最接近实验值,平均绝对误差为17.22%,且能较好地反映纳米颗粒对流动沸腾传热影响的规律;结合实验数据对Peng-Ding模型的纳米影响因子(纳米制冷剂与纯制冷剂的传热系数之比)关联式进行修正,新关联式具有较好的预测效果,平均绝对误差为15.2%,且与Bertsch模型的组合能较好地预测微通道内纳米制冷剂传热系数,平均绝对误差降为16.4%。     

节流型微通道流动换热系统研究

【目的】现阶段对于微通道内流体的流动特性规律的研究还不是很成熟,需要进一步研究微通道结构换热器对常规电子设备受热特性的优化情况。【方法】本研究设计加工了形状为渐缩渐扩节流型微通道散热器,以液体水为试验的流动工质,动力装置由隔膜计量泵提供,利用铜棒模拟现实生活中常见的热源,通过改变隔膜计量泵的滑动手轮,实现调节进入渐缩渐扩节流型微通道的工质流量。【结果】1）工质在通道入口端是简单的单相对流换热,具有较低的传热系数,使得温度相对较高。当工质经过空化结构时,由于截面积变小,使得工质流速增大、压力变小,在突扩界面处出现空化泡的两相传热。2）随着进口流量的积累逐渐大于出口流量的积累,使得进出口两端的压差不断增大。3）稳定状态下进出口压力的周期性波动与计量泵提供的流量周期性波动有关系。4）对于不同恒温的试验流体通过微通道时,随着时间的延迟,输入的热量越来越多,加热棒温度越来越高,微通道入口温度与输入热量呈线性关系。5）微通道内的流体流动时的雷诺数和通道对流体的阻力系数呈现递减的规律。在可以接受的误差范围内,当试验工质处于层流阶段时,摩擦阻力系数与理论模拟关系式模拟的结果误差相对较小。     

不同表面能对微细通道流动沸腾压降特性的影响

采用不同浓度氟硅烷-乙醇修饰液对高、宽分别为2.0 mm、1.0 mm的矩形截面微通道进行修饰,得到了表面能不同的微通道试件,并以R141b制冷剂为实验工质,设定实验工况,在微通道试件中进行沸腾换热实验,探讨具有不同表面能的微通道对两相流动沸腾传热压降特性的影响。实验结果表明:修饰液浓度越高,浸泡时间越长,修饰后槽道的表面能越低;表面能的改变不会对各压降所占比例造成大的影响,但会影响两相摩擦压降,减小表面能会增大单位长度两相摩擦压降,实验中的增大率达到5.1%和12.7%;将实验数据分别与相关模型的预测值进行了对比,并对模型关联式进行了修正,所得到修正模型的平均绝对误差明显降低。     

几何参数对矩形微通道内流体流动特性的影响

以试验手段对8根不同水力直径矩形微通道内蒸馏水的流动特性进行研究,测量得到了矩形微通道内流体流动时摩擦阻力系数f和摩擦常数P_o随Re数的变化规律,分析了矩形微通道水力直径、深宽比及长径比等几何参数对其内流体流动特性的影响规律和方式.结果表明:对于深宽比相同的微矩形通道,水力直径或长径比的减小都将引起内流体流动的f值和Po值的增大;而对于长径比相近而深宽比不同的矩形微通道而言,随着深宽比的减小,微通道内的f值和Po值也将增大;文中研究范围内,深宽比对矩形微通道内流体流动特性的影响更大;矩形微通道内流体流动的摩擦阻力系数是水力直径、深宽比及长径比等几何参数的复杂函数.     

微粗糙表面混合接触边界膜影响分析

研究了由微粗糙表面与光滑平面形成的混合接触承载性能.混合接触由固体-边界膜-固体三体接触和固体-流体固体三体接触组成.两表面相对滑动时表面间形成许多个微阶梯轴承.这些微阶梯轴承的承载量之和构成两接触表面承载量.微阶梯轴承的入口区为传统流体区域,出口区为边界膜区域.给出了微阶梯轴承承载能力分析方法,研究了边界膜对混合接触承载能力和接触性能的影响.     

T型微通道中液—液两相流流动与混合过程分析

为了揭示T型微通道中液液两相流的混合特性,采用数值模拟与实验对液滴内流体的动态混合过程进行了分析。研究结果表明:在液滴生成时,旋转扰动作用决定了液滴内混合组分的初始分布,是影响混合性能的关键因素。旋转扰动作用使液滴内两相界面发生旋转,混合组分位于液滴的前后部位,从而在液滴内循环流的作用下加强混合。连续相流速是影响旋转扰动作用的主要因素,若连续相流速较小,液滴较长,旋转扰动作用不足以使液滴内的组分充分混合;若连续相流速较大,液滴较小,旋转扰动能够在整个液滴范围内起到作用,混合程度得到大幅提升。当连续相流速增大时,液滴尺寸减小,当Vo为0.04μL/min时,混合指数为0.82,是Vo为0.005μL/min时混合指数的2倍。     

方截面直微通道内低雷诺数流动分析

为了研究植物水分通道导管内流等雷诺数小于1的微通道内流流场特性,采用Micro-PIV试验测量技术和Fluent软件,通过设置合适的多孔介质区域厚度与动量源项,建立多孔介质模型模拟壁面粗糙元影响的数值模拟方法,在雷诺数分别为0.15,0.25和0.35时,对断面尺寸为400μm×400μm的方截面直微通道内流流场进行研究,并将试验与数值模拟结果与直接对控制方程解析求解所得的解析解进行比较.结果表明：微尺度通道往往具有壁面相对粗糙度高的特性,该特性对通道内流场分布造成的影响,在雷诺数很低的情况下,仍然不可忽视.解析解是针对常规尺度通道推出的,未考虑微通道较高的相对粗糙度对流场的影响,虽然其流场速度廓线的变化趋势与试验值相近,但其值在距离流道中心小于0.04 mm的主流区小于试验值,而在距离流道中心大于0.04 mm的近壁区大于试验值.采用多孔介质模拟壁面粗糙元则可以有效地实现对方截面直微通道低雷诺数内流的模拟,试验值所得数据点与模拟值所成曲线重合.     

低粘度液体在微管道中流动特性的试验

试验研究了低粘度蒸馏水和硅油在内径13~100μm,长度40~100mm的微圆管道中的低压流动,测量了流动的流量-压力特性。研究结果表明,对于内径20μm、50μm和100μm的微圆管道,其流动特性与常规流动基本吻合;对于内径13μm的微管道,长度较短时的流动规律与常规流动相吻合,长度为100mm时的流量达到N-S方程预测值的3.93倍,表明此时出现了明显的尺度效应,管道内壁出现速度滑移致使流量增大。     

半环对撞流干燥的流动与传热传质分析

建立了半环对撞流干燥过程中的流动与传热传质数学模型,针对模型各部分的不同特点,分别采用合适的数值处理方法进行了数值计算,不同工况下,模型计算与试验结果吻合良好,能较好地预测干燥过程中入口空气温度,载带率及物料初始含湿量等因素对干燥过程的影响。通过对模型计算和试验结果的分析,提出了提高半环对撞流干燥速率与降低干燥能耗和费用的有效途径。     

板翅换热器平直翅片的传热与阻力性能试验

对11种不同结构参数的紧凑式板翅换热器平直翅片的传热和流动阻力进行了试验研究,分析比较平直翅片间距、翅片高度、翅片长度对其传热和流动阻力的影响。结果表明,翅片间距对传热和流动阻力影响较小,而翅片长度和高度对其传热和流动阻力有重要影响。同时对11种翅片的220个试验数据点进行了j因子和f因子的试验关联式拟合,拟合关联式的误差范围为±10%。     

考虑沸腾换热的柴油机缸盖流固耦合传热分析

以CFD软件Fluent和FEA软件ABAQUS为仿真计算平台,建立了柴油机气缸盖与冷却水腔所组成的流固耦合传热模型,进行了流体与固体之间的传热仿真模拟。为反映沸腾换热的影响,基于单相流沸腾换热模型编写相关子程序,并嵌入到Fluent软件中。结果表明:与不考虑沸腾传热的单相流对流传热计算结果相比,沸腾换热可有效强化缸盖冷却水套内的传热,降低缸盖的高热负荷。     

重型立式车床转台流固耦合传热数值模拟与实验

采用流固耦合的数值方法研究了重型立式车床转台的耦合传热特性,使传热外边界条件变成内边界条件,更符合实际工况。给出了转速范围在5~50 r/min内的空气流场,以及工作台、底座和静压油膜的温度场分布。数值模拟结果表明转速提高使静压油膜温度升高,承载能力下降,加强了散热面对流,且高转速时底座的散热量被低估,但散热面温度没有显著升高,加重了工作台和底座热集中。同时,工作台数值模拟结果与红外线热像仪测量数据吻合较好,说明数值模拟结果符合物理原理,扩展了流固耦合传热的应用范围,使立式车床的散热情况分析结果更加可靠和精确。     

微通道内种子汽泡抑制沸腾不稳定性研究

搭建同步光学可视化实验台,以并联三角形微通道硅基热沉为实验段,微通道入口玻璃盖板内侧溅射5个Pt微加热器构成种子汽泡发生器阵列。研究了低入口质量流量下不同种子汽泡触发频率对微通道内沸腾不稳定性的影响。实验结果表明,种子汽泡触发频率作为控制微通道内流动沸腾不稳定的重要参数,单相液体区域,种子汽泡对微通道内流动影响很小;两相区域,随着热流密度增大,压降呈线性上升,壁面温度呈指数式上升。触发频率越高,压降越高,壁面温度下降越大。相同热流密度条件下,高频种子汽泡能够完全消除沸腾不稳定性,壁面温度显著下降,温度均匀性得到明显提升。     

活塞振荡冷却流动传热特性的研究

应用CFD动网格技术和VOF多相流模型,对活塞内冷油腔振荡冷却进行了数值模拟研究,揭示了发动机转速和冷却喷嘴的喷油量对振荡冷却流动与传热特性的影响规律,并根据计算结果为活塞的温度场计算提供了第三类边界条件,从而进一步研究了转速和喷油量对活塞温度场的直接影响规律。研究结果表明:相同喷油量下,机油填充率随着发动机转速的提高而下降,平均换热系数反而略有增大,活塞温度变化较小;相同转速下,机油填充率随着喷油量增加迅速增大,换热系数随之增大,活塞温度明显降低。     

地膜覆盖对旱作玉米田水热通量传输的影响研究

为探明旱作农田生态系统生态水文过程、提升农田水分利用效率,选取黄土高原东部旱作春玉米田为研究对象,设置露地（CK）和地膜覆盖（PM）两种处理,利用涡度相关系统对两种处理条件下玉米田水热通量进行了连续观测,基于观测结果对两种处理下玉米田水热通量的日、季节变化特征和能量分割进行了分析。结果表明：两个处理各能量通量均存在显著的日、季节变化特征。在快速生长期（拔节期）,降水后CK和PM处理潜热通量（λET）均明显增大,而显热通量（H）和土壤热通量（G）均减小;但在后期（成熟期）,降水对各能量通量变化过程的影响没有快速生长期明显,表明玉米生育期内降水的分布能够显著影响旱作玉米田的能量平衡。玉米生育期内,净辐射（Rn）主要以λET为主,而休闲期Rn主要以H为主。Rn是玉米田λET的最主要影响因子,其次是平均气温和饱和水汽压差,风速和相对湿度对λET的影响相对较小。     

DMLS微换热器粗糙度对Al2O3/R141b流动沸腾传热影响

为了探究DMLS(直接金属激光烧结)微型换热器换热通道表面粗糙度对纳米流体制冷剂流动沸腾传热的影响,运用化学抛光技术改变不同DMLS微型换热器换热管道表面的粗糙度,制备0.01%低浓度Al2O3/R141b纳米流体制冷剂为实验工质,在不同的热流密度9.4~29.4 k W/m2、质量流率184.3~432.2 kg/(m2·s)下,研究不同DMLS换热管道表面下的粗糙度对Al2O3/R141b流动沸腾传热特性。研究结果表明:粗糙度对纳米流体制冷剂在DMLS微型换热器内流动沸腾传热有显著影响,纳米流体制冷剂的换热性能随粗糙度的减小而减弱,粗糙度减小80.4%,换热性能减弱22.5%;相同的工况下,相比于表面粗糙度为8.7μm DMLS微型换热器换热管道,纳米流体制冷剂在粗糙度为5.8、3.2、1.7μm DMLS微型换热器换热管道中的平均换热系数分别减小7.1%、14.1%、22.5%;DMLS微型换热器换热通道表面粗糙度越大,表面凹凸程度越大,单位长度换热通道内,纳米流体制冷剂与通道表面有更多的接触面积,促使单位面积上有更多的纳米制冷剂核气化核心密度,同时核化起点提前、壁面过热程度越低,有利于强化传热效果;实验结果与修正后的LAZAREK传热模型结果相对偏差为9.88%,验证了数学模型的有效性及实验结果的可靠性。     

柴油机缸盖水腔流动与沸腾传热的流固耦合数值模

采用CFD软件STAR-CD和FEA软件ABAQUS对226B型柴油机缸盖冷却水腔内的流动和传热过程进行了流固耦合数值模拟计算.为反映沸腾传热的影响,基于FORTRAN语言开发了单相流沸腾传热模型,将其嵌入到STAR-CD中.与试验结果的比较表明,加入沸腾传热模型可以大幅度提高模拟计算的精度,最大误差由18%下降至7%,为柴油机冷却水腔的优化设计提供了理论依据.