并联矩形突扩微通道气液两相流动特性研究

微尺度下的相变强化传热是微电子领域散热的研究热点,而微通道内气液两相流流型和压降分析是微流动系统设计和控制的基础。本文针对并联矩形突扩微通道,通过流型可视化、理论分析及实验研究的方式,对微通道内两相流动特性进行了分析研究。通过可视化实验,在并联矩形突扩微通道内观察到了4种典型流动,分别为泡状流、塞状流、弹状流和环状流。当Qg=110 mL/min、Ql=20 mL/min时,两相流动流型达到最大程度的射流状态,出现充分流体射流情况。通过建立压降预测模型,结合实验结果分析了压降模型的适用性和精度,结果表明:含有突扩结构的并联矩形微通道在质量流速为367~691 kg/(m^2·s)范围内的压降预测模型的平均预测误差为18.56%,优于经典文献中的预测精度,且随着整体压降的增大,预测精度增大。     

采用新制冷剂R134a和混合制冷剂R410A的板式蒸发器性能研究

采用分布参数法对波纹型通道板式蒸发器建立数学模型,并进行了数值模拟.通过计算板内局部蒸发传热系数和压降可以简化板式蒸发器内复杂三维网状流动的传热特性.针对应用较广的R134a和R410A制冷剂来比较和分析板式蒸发器在小的温差下的传热性能.在3种不同的计算工况下简要分析了各种热力参数的变化对蒸发器整体传热性能的影响.不同的制冷剂,其传热系数和压降差别较大,相同工况下采用R410A替代R22,板式蒸发器的传热性能可提高8.5%～10.0%,且压降可大幅降低.     

矩形微通道内制冷剂流动沸腾传热特性及可视化研究

为了探究微通道内流动沸腾及传热现象的机理,以制冷剂R22为工质在矩形微通道内进行了流动沸腾及可视化实验。结果表明,在核态沸腾下传热系数受质量流率的影响较小,却随着热流密度的增加而快速增加;微通道的尺寸越小,传热效果越好,水力直径为0.92 mm和1.33 mm微通道内的传热系数比2 mm微通道内的传热系数分别提高约25%、12%;根据实验值与预测值的对比情况,在Oh H K等[15]和Yun R等[7]模型基础上拟合得到新的传热系数预测关联式,平均绝对误差降至8.8%;通过可视化实验发现,在临界热流密度下微通道内出现波浪式气体层的现象。     

带有双弯曲肋片的细通道流动与传热的数值模拟

为了强化细通道的传热性能,设计了一种带有双弯曲肋片的细通道。采用数值模拟的方法研究双弯曲肋片对于细通道中流体的流动特性、传热特性以及综合特性的影响。分析了进口雷诺数、肋片的半径大小对于细通道热沉中的摩阻系数、努塞尔数以及综合传热因子的影响。结果表明:细通道的摩阻系数与努塞尔数随着肋片半径的增大而增大,热阻随其增大而减小;在设置的雷诺数范围内,综合性能最好的为MCDR-0.4。证明双弯曲肋片的添加可以有效地提升细通道的综合性能。     

基于表面及迎风面改性的锯齿翅片强化传热研究

为了在提高锯齿型翅片散热器换热性能的同时尽量控制压降损失的增大，本文采用数值模拟的方法对锯齿型翅片性能进行研究，分析了不同翅片表面、迎风面结构及尺寸参数对传热Nu、流动压降损失Δp以及综合性能η的影响规律。结果表明：无论翅片表面设置何种形状凹槽和凸起对传热的影响差异较小，但圆形凹槽和凸起对压降损失的增加最少，综合性能最优。在翅片表面设置圆形凹槽和凸起的基础上继续将翅片两端迎风面改为圆形，可使传热提高的同时减小压降损失，综合性能最多提高12.2%。圆形凹槽和凸起尺寸R=0.15 mm时，传热和压降损失的平衡达到最佳，与传统锯齿型翅片相比，平均压降损失基本不变，传热和综合性能平均提高均为8.7%。     

开口结构对微肋阵沸腾换热及汽泡动态生长特性的影响

为了研究开口结构对微肋阵矩形通道沸腾换热的影响,本文对开口水滴形微肋阵通道流动沸腾换热性能进行可视化实验,并与水滴形微肋阵通道流动沸腾换热性能对比,借助高速摄像仪对通道内不同流量下气泡的流动和生长过程进行记录与分析。以去离子水为工质,入口温度为30℃,流量范围为0.2～7.2 kg/h,加热电压为60 V,拍摄频率为500 fps。实验结果表明:微肋阵的开口结构会影响流动特性;开口结构增加了传热面积,有利于汽化核心的形成,有利于换热。在较低和较高雷诺数下,开口水滴形微肋阵的对流换热优于水滴形微肋阵;开口水滴形通道Ⅱ区和Ⅲ区域内气泡的等待时间和生长时间均随雷诺数的增大而逐渐增大,且气泡的生长时间大于等待时间,此外,针肋末端Ⅱ区域的等待时间和生长时间均比Ⅲ区域的更短。     

微肋管内的换热强化的实验和理论分析

在1根光管、2根微肋管内运行了R1234yf两相流动冷凝换热实验,工况设定中冷凝温度为40℃、43℃、45℃,质量流量为500—900 kg/(m~2·s),换热管进出口处制冷剂干度分别为0.8—0.9、0.2—0.3。实验结果显示:传热系数随冷凝温度的降低、质量流量的增加而增大,且微肋管内传热系数均大于光管内传热系数,其中8°和15°肋片螺旋角微肋管换热强化倍率分别为2.51—2.89、3.11—3.57,均大于其面积增加比;使用关联式对管内传热系数预测时:Cavallini et al关联式对光管内传热系数预测精度最高,其预测误差范围在±8%以内,预测平均误差为0.56%;Cavallini et al关联式和Koyama et al关联式对微肋管内传热系数预测精度较高,其预测误差范围在±25%以内,两者的平均预测误差小于6%。     

空气侧风速对双流程微通道蒸发器传热特性的影响

搭建双流程微通道蒸发器性能实验台,采用控制变量法探究了不同空气风速下微通道蒸发器表面温度分布、制冷量和传热系数、进出口压降变化规律,分析空气侧风速对微通道蒸发器的表面温度分布均匀度和传热性能的影响。结果表明:随风速增大,蒸发器表面温度均匀度先变差,然后趋于平衡;制冷量的增量很少;蒸发器内制冷剂压降增大;综合换热性能降低。单增大风速来提高微通道蒸发器制冷量的效果不明显。     

多孔鳍歧管微通道流动传热特性研究

微通道技术是芯片冷却最具前景的技术之一。本文采用数值模拟的方法对比分析了不同孔隙率(ε=0.2～0.8、ε-rise和ε-drop)多孔鳍歧管微通道流动传热特性。结果表明：多孔鳍可以显著降低歧管微通道流动阻力,最高超过20%。但随着入口速度增加,压降降低效果逐渐减弱。在研究的孔隙率变化范围内,ε=0.4和ε=0.6的多孔鳍歧管微通道综合性能更好。基于芯片最高温度评价,ε-rise案例相比ε=0.4案例热阻更低,压降更高;且随着入口速度增加,热阻优势得到强化,压降劣势逐渐缩小。与ε=0.4案例相比,ε-rise案例在压降仅高1.4%的情况下,热阻降低8%。     

微通道蒸发器仿真计算模型与试验分析

分析了微通道蒸发器内制冷剂流动沸腾换热的经验关联式,建立了稳态分布参数和控制单元法的微通道蒸发器数学仿真模型。同时建立不同扁管宽度的微通道蒸发器样机并验证其在不同工况下的传热和压降性能。试验结果表明:微通道蒸发器工作时两相流制冷剂分配不均和冷凝水排除速度慢是造成微通道蒸发器在校核计算时计算值与试验值相差较大的主因。传热试验和修正的仿真模型为今后微通道蒸发器开发计算以及性能优化方面提供了参考。     

润湿异质性表面的过冷流动沸腾实验研究

非均匀润湿表面对流动沸腾过程中的流动模式和传热机制有重要影响。本文以去离子水为工质，实验研究了矩形微通道内硅表面和润湿异质性表面的过冷流动沸腾换热特性。通道横截面为0.5 mm×5 mm,过冷流动沸腾的质量通量分别为300、400 kg/(m²·s),热流密度在30～300 kW/m²的范围内。实验在大气压下进行，过冷度为10 K。对比了与流动方向垂直(HC)和平行(HP)的疏水图案，讨论了不同热流密度、质量通量等工况下的硅表面和润湿异质性表面垂直向上流动沸腾，分析了不同工况下过冷沸腾的沸腾曲线、平均传热系数和两相流流型。结果表明：润湿异质性表面的流动沸腾换热表面传热系数最大提高了39.55%,换热机制主要为核态沸腾。     

肋片顶部开口对微槽内流动换热特性的影响研究

针对不同的顶部开口肋片矩形微结构换热器内的流动和换热特性进行分析,并采用数值模拟的方法计算不同肋高比情况下微槽道结构散热器的流动和换热特性。结果表明:摩阻系数随着肋高比的增加而降低,随着Re的增加而减小;Nu随着肋高比的增加而降低;相同肋高比时,传热因子随着Re的增大而减小;合适的顶部开口在小Re数下可以表现出较好的流动换热特性,但是当Re增加时,其对于换热有抑制作用。     

微圆管内R1234ze(E)流动沸腾的环状流特性模拟研究

本文建立了制冷剂R1234ze(E)在微圆管内流动沸腾过程中的环状流模型,对传热和气液两相流动压降进行了模拟研究。综合考虑重力、表面张力及气液界面剪切力的影响,模拟分析了周向液膜不均匀分布特性及该特性对流动与换热的影响,经验证,计算结果与已有实验结果吻合较好,此外还研究了不同因素对环状流区域表面传热系数与压降的影响。模拟结果表明：在流动起始区域,截面液膜厚度的分布受重力作用影响,随着流动沸腾过程的进行,该影响作用开始减弱,且有重力作用时的环状流平均表面传热系数高于无重力作用时的环状流平均表面传热系数,随着重力加速度的增加,环状流的平均表面传热系数不断增大;随着质量流速的增大,表面传热系数与压降均随之增大;随着管径增大,表面传热系数与压降均随之减小。     

表面处理对微通道换热器湿工况性能及长效特性的影响

对翅片间距为1.1mm的微通道换热器进行了亲水和疏水表面处理,并对其不同工况下的性能进行了实验研究,分析了表面处理对微通道换热器湿工况性能和长效特性的影响。实验表明,疏水表面处理在低风速下会造成换热器性能衰减：与原换热器相比,经过疏水表面处理的换热器换热量最大减小14%,衰减随着风速的变大而减小;而压降除了高风速高湿度工况,其余工况下均升高130%以上。亲水表面处理对换热器性能影响较小：与原换热器相比,经过亲水表面处理的换热器在不同工况下性能衰减2%-8%;压降仅在高湿度低风速下明显变大17%,其余大部分工况得到改善,在高湿度高风速下压降仅为原换热器的50%。亲水表面处理在防腐蚀方面具有一定作用,同时进行盐雾腐蚀260h后,表面亲水处理的换热器在不同工况下比原换热器性能提升4%-6%,压降降低14%-16%。     

微通道正弦型底面结构对局部流动和传热特性的影响

为研究微通道的正弦型底面结构对流动和传热性能的影响,设计了5种正弦型底面结构的微通道,并采用数值模拟方法研究其在不同雷诺数下通道内局部流动情况和传热性能。结果表明,正弦型微通道内存在二次流;正弦型微通道内局部压力、泊肃叶数、壁面温度和努塞尔数沿着流动方向都出现波动的趋势,但后两者较平缓。在所研究的雷诺数范围(230～1 060)内,正弦型微通道平均泊肃叶数随着雷诺数增大而增大;部分正弦型结构微通道在雷诺数不大于600时,平均努塞尔数略低于光滑通道,说明传热效果有所降低;在雷诺数大于600时,所有正弦型通道的平均努塞尔数大于光滑通道,表明传热效果较好。     

多元平行流冷凝器传热流动性能研究

平行流冷凝器空气侧采用间断型扩展表面的波纹型百叶窗翅片,制冷剂侧采用小水力直径的非圆截面微通道多孔铝制扁管,选用适合于该微尺度强化换热结构的传热和压降关联式,对某规格的平行流冷凝器建立数学模型并在一定工况下进行数值模拟.结果分析表明,制冷剂在非圆截面微通道内的冷凝过程中,表面张力对表面传热系数的强化效果明显;通过改变流程数和各流程管数来改变冷凝过程中的流通截面而达到调整流速的作用,从而可以保持较高的冷凝换热系数和较低的流动压降,与常规换热器相比具有显著的优越性.     

双锥型凹穴微通道超临界CO_(2)流动传热特性研究北大核心CSCD

为实现印刷电路板式换热器(Printed circuit heat exchanger,PCHE)中超临界CO_(2)(Supercritical-CO_(2),S-CO_(2))高效低阻强化换热,提出一种基于处理表面强化换热技术的双锥型凹穴矩阵微通道模型。通过数值模拟不同锥体凹穴高径比、环绕型与对称型排列方式对流动传热特性的影响,得到S-CO_(2)在500—850 K范围下,各通道范宁摩阻系数、对流传热系数和综合强化指数等参数随入口流速的变化规律,并引入壁面平均涡强对局部流动与换热机理进行分析。结果发现:对流传热系数随壁面平均涡强的增大而增大,且增加速率随入口速度的增加而增大;环绕型矩阵排列相较于对称型更有利于通道换热;结合综合强化指数,双锥型凹穴结构能实现通道高效低阻强化换热,高径比为2的模型换热性能最优;通过壁面平均涡强对凹穴流动与换热机理的分析,由于双锥型凹穴结构内涡流的增强,平均对流传热系数得到增强,且主要影响边界层附近的流动与换热。     

多管程布置微通道分液冷凝器的热力性能

分液式微通道冷凝器(LSMC)是一种新型的微通道平行流冷凝器。本文通过理论计算并实验验证了不同管程布置方案LSMC的管内换热系数和压力降,并采用惩罚因子(PF)对其综合性能进行评价。结果表明:管程数(NP)和每管程换热管数(TNPP)对平行流冷凝器的热力性能都有明显影响。在完全分液效果下,优化的4、5管程LSMC的换热系数分别比3管程LSMC提高了5.7%和13.8%,而4、5管程LSMC的压降也分别比3管程LSMC增大超过23.5%和138.7%。与此比较,LSMC的传热系数和压降在不同TNPP的变化较小,说明优化区间内管程数比每管程换热管数对LSMC单一的热力性能影响更大。此外,实现完全分液的LSMC比部分分液的LSMC热力综合性能好。与实验值比较,LSMC理论传热系数和压降的最大偏差分别为25.6%和20.8%。     

微肋表面强化液氮温区冷凝传热特性的数值模拟研究

开展了微肋表面强化氮蒸气凝结传热的机理研究,基于CFD数值方法建立了竖直方向平板和微肋板上氮蒸气冷凝的三维数值模型,对比分析了平板表面和微肋表面的冷凝换热效果,通过表面冷凝的液膜分布和速度分布等内在参数揭示平板和微肋表面的冷凝换热机理。结果表明,氮的冷凝传热性能在微肋表面上得到显著提升,在1.5 K的冷凝传热温差下,其平均传热系数提高1.6倍,初步揭示了微肋表面(肋高H=0.6 mm、节距p=1 mm)对强化氮冷凝的有效性。分析显示,微肋的弯曲结构改变了液膜的空间分布,通过减薄局部液膜厚度实现了冷凝的强化。     

平行小通道直冷板传热特性实验研究

作为两相冷却技术的核心部件,直冷板的传热特性越来越受到关注。本文基于泵循环两相流实验系统,设计了一块平行 小通道直冷板,直冷板流道区域尺寸为140mm×50mm,包含21根通道,通道截面尺寸为1.5mm×15mm,通道间由0.5mm厚的肋片分隔。通过改变制冷剂进口温度,流量以及热流密度,分析平行小通道直冷板流道内部不同区域壁面温度及表面传热系数的变 化规律。结果表明,制冷剂热流密度0.5 W/cm2、进口温度15℃.质量流量150kg/h时,不同流道内壁面温度均沿流动方向呈单调 上升趋势;当制冷剂热流密度升至6W/cm2,壁面温度先升高后趋于稳定,中间流道的壁面温度均高于周边流道。在低热流密度 下,直冷板流道内部不同位置的表面传热系数沿流动方向基本不变;而在高热流密度下,流道出口处的表面传热系数呈现上升的趋 势,最大增幅为21%。与壁面温度相似,周边流道的表面传热系数高于中间流道,表面传热系数相差7%-24%。