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。     

不同截面疏水性微肋阵内减阻特性

采用疏水液处理紫铜微肋阵表面,分别在截面为圆形、菱形和椭圆形微肋阵实验段内形成接触角分别为99.5°、119.5°和151.5°(水为工质)的疏水性表面,实验测试各个工况下流道内流动阻力和压力降,分析了不同截面形状对疏水性微肋阵内减阻特性的影响规律。结果表明,当接触角增大时,压力降变化率在微肋阵内的变化规律随截面形状的改变而发生变化;同一接触角下,椭圆形微肋阵内压力降变化率随流量增加而逐渐减小,而菱形和圆形微肋阵则先减小后保持常数。相同Reynolds数(Re)下,3种截面实验段中减阻率均随接触角的增大而增加。接触角相同时,椭圆形微肋阵内阻力系数变化因子随Re的增大而逐渐减小;菱形和圆形则先减小后保持常数,接触角为151.5°时最小阻力系数变化因子分别为50.81%和58.68%。     

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。     

不同截面形状微肋片内流动阻力特性

以去离子水为工质,实验研究了横截面形状为圆形、椭圆及菱形的叉排微肋片组成的流道内的流动阻力特性。结果表明,3种形状肋片流道内压降随流量增大而增大。受微/小尺度下层流边界层的影响,流量较低时微肋形状对流动影响较弱,椭圆形肋片与菱形肋片内压降几乎相同,而圆形截面肋片内由于流动距离较长导致流动阻力最大;当流量较大时,椭圆形肋片内压降最小。Re较小时,长短轴一致的菱形肋片内的流动阻力系数f比椭圆形肋片略低,但在Re较高时,椭圆形肋片内的f值仍然最低。研究还表明,在现有各种关联式中,只有菱形微肋片关联计算值与本实验值较吻合。     

不同截面形状微肋片内流动阻力特性

以去离子水为工质,实验研究了横截面形状为圆形、椭圆及菱形的叉排微肋片组成的流道内的流动阻力特性。结果表明,3种形状肋片流道内压降随流量增大而增大。受微/小尺度下层流边界层的影响,流量较低时微肋形状对流动影响较弱,椭圆形肋片与菱形肋片内压降几乎相同,而圆形截面肋片内由于流动距离较长导致流动阻力最大;当流量较大时,椭圆形肋片内压降最小。Re较小时,长短轴一致的菱形肋片内的流动阻力系数f比椭圆形肋片略低,但在Re较高时,椭圆形肋片内的f值仍然最低。研究还表明,在现有各种关联式中,只有菱形微肋片关联计算值与本实验值较吻合。     

微肋阵通道流动沸腾换热与压降特性

为探究不同截面微肋阵通道内的流动沸腾换热机理,以去离子水为工质,在质量流速为96～224 kg·m^-2·s^-1,有效热通量为10～240 W·cm^-2的范围内,对圆形、菱形、椭圆形微肋阵通道内流动沸腾换热及压降特性进行了实验研究,同时对微通道内流动沸腾的不稳定性进行了分析。通过实验发现：在低热通量下,核态沸腾占主导地位,而在中高热通量下,薄膜蒸发对流换热为主要沸腾机制;沸腾传热系数随着热通量和出口干度的增加而减小,两相压降随着热通量和出口干度的增加而增大;微肋阵肋间形成的次级通道宽度对换热和两相压降有很大的影响,次级通道越宽,气泡越容易脱离,换热效果越好,压降越大;微肋的存在抑制了气泡的反向流动,减小了沸腾不稳定性,推迟了临界热通量的发生,椭圆形微肋阵通道的流动沸腾稳定性最好,而圆形微肋阵通道的流动沸腾稳定性最差。     

微肋阵通道流动沸腾换热与压降特性

为探究不同截面微肋阵通道内的流动沸腾换热机理,以去离子水为工质,在质量流速为96～224 kg·m~(-2)·s~(-1),有效热通量为10～240 W·cm~(-2)的范围内,对圆形、菱形、椭圆形微肋阵通道内流动沸腾换热及压降特性进行了实验研究,同时对微通道内流动沸腾的不稳定性进行了分析。通过实验发现:在低热通量下,核态沸腾占主导地位,而在中高热通量下,薄膜蒸发对流换热为主要沸腾机制;沸腾传热系数随着热通量和出口干度的增加而减小,两相压降随着热通量和出口干度的增加而增大;微肋阵肋间形成的次级通道宽度对换热和两相压降有很大的影响,次级通道越宽,气泡越容易脱离,换热效果越好,压降越大;微肋的存在抑制了气泡的反向流动,减小了沸腾不稳定性,推迟了临界热通量的发生,椭圆形微肋阵通道的流动沸腾稳定性最好,而圆形微肋阵通道的流动沸腾稳定性最差。     

微肋阵通道内流动沸腾CHF特性

以去离子水为工质,在质量流速G为96~224 kg·m~(-2)·s~(-1),入口过冷度为20~50℃,有效热通量为10~240W·cm~(-2)的范围内,对圆形、菱形、椭圆形微肋阵通道内流动沸腾临界热通量(critical heat flux,CHF)特性进行了实验研究。临界热通量是通道出口壁面干涸造成的,而出口壁面的干涸是由于流动沸腾向通道上游的反向流动。出口壁温的剧增和两相压降的剧减标志着CHF的发生。此外研究发现质量流速、入口过冷度、微肋形状等实验参数对CHF也有着很大的影响。实验结果表明:在相同的实验工况条件下,微肋片的存在大大减小了沸腾的反向流动和流动沸腾的不稳定性,微肋阵通道的CHF比光滑微通道更高,且椭圆形微肋阵的CHF最大,菱形微肋阵次之,圆形微肋阵最小;CHF随着质量流速和入口过冷度的增大而增大,但随着出口干度的增大而减小。最后将实验数据文献中的关联式进行了比较验证,结果表明该实验数据与关联式吻合良好。     

微肋阵通道内流动沸腾CHF特性

以去离子水为工质,在质量流速G为96～224 kg·m^-2·s^-1,入口过冷度为20～50℃,有效热通量为10～240 W·cm^-2的范围内,对圆形、菱形、椭圆形微肋阵通道内流动沸腾临界热通量（critical heat flux,CHF）特性进行了实验研究。临界热通量是通道出口壁面干涸造成的,而出口壁面的干涸是由于流动沸腾向通道上游的反向流动。出口壁温的剧增和两相压降的剧减标志着CHF的发生。此外研究发现质量流速、入口过冷度、微肋形状等实验参数对CHF也有着很大的影响。实验结果表明：在相同的实验工况条件下,微肋片的存在大大减小了沸腾的反向流动和流动沸腾的不稳定性,微肋阵通道的CHF比光滑微通道更高,且椭圆形微肋阵的CHF最大,菱形微肋阵次之,圆形微肋阵最小;CHF随着质量流速和入口过冷度的增大而增大,但随着出口干度的增大而减小。最后将实验数据文献中的关联式进行了比较验证,结果表明该实验数据与关联式吻合良好。     

壁面性质对蛇形微通道弹状流传热特性的影响

采用CLSVOF (coupled level set and volume of fluid)方法,以空气和水为介质对矩形截面蛇形微通道内弹状流流动传热进行模拟研究。改变气液相流速,探讨了沿程局部Nu数的变化情况;改变接触角及相对粗糙度,分析其对微通道传热的影响;比较不同形貌粗糙元对微通道传热特性的影响;最后,基于Design-Expert平台,对蛇形微通道进行了优化设计。计算结果表明,与单相流动相比,弹状流可以强化传热,且局部Nu数随气弹的出现呈周期性变化;无滑移壁面条件下,疏水壁面一定程度上阻碍传热;粗糙壁面微通道可强化换热,且合理布置的随机粗糙元传热效果最好。     

微换热通道的几何特性对多孔微型换热器传热特性的影响

基于有限元法原理,利用Fluent流体仿真软件,针对多孔微型换热器的几何特性对传热特性的影响进行了数值模拟,分析了换热管道高宽比、长径比、孔隙率、当量直径和截面形状对多孔微型换热器传热特性的影响。结果表明,多孔微型换热器的换热性能随矩形截面微通道高宽比的增大而提高,随微通道长径比的减小而降低,随微通道孔隙率的减小而降低,随微通道当量直径的增大而提高,且在使用等量冷却剂的条件下,截面形状为等腰三角形的多孔微型换热器换热性能优于截面形状为梯形、矩形和圆形的。     

内置叶片开槽间断性转子换热管强化传热及阻力特性实验研究

本文对内置叶片开槽间断型转子换热管的强化传热及阻力特性进行了实验研究。在雷诺数为15000～45000范围内对光管进行了验证性实验,得出努塞尔数Nu和阻力系数f误差分别在-3.0%～+3.5%和9.0%以内。在实验条件下,内置叶片开槽间断型转子的换热管与光管相比,努塞尔数Nu和阻力系数f分别平均提高了70.03%和83.88%。通过综合性能评价得出PEC值在1.38～1.40之间。     

射流冲击纳米流体对半圆形螺旋通道传热特性的影响

为提高管式反应器外半圆形螺旋通道的换热效果，在传统螺旋通道壁面上设置了射流入口，采用三种纳米流体(Cu O-H₂O、Al₂O₃-H₂O和Ti O₂-H₂O)作为传热流体，基于Mixture混合模型探究了不同纳米流体在不同Re=10000～36000、不同射速比下对半圆形螺旋通道换热和流动特性的影响规律，并利用传热强化因子PEC_j0和PEC_j分别评价了半圆形螺旋通道增加射流前后的综合强化传热性能。研究结果表明：在射速比ε=0～5时，Al₂O₃-H₂O纳米流体的压降最大，Cu O-H₂O纳米流体的压降最小。在ε=0时Al₂O₃-H₂O纳米流体的传热效果最好，其平均Nu数是H₂O的1.31倍。与ε=0相比，在ε=1～5工况下，螺旋通道平均Nu     

三角对翼和圆柱组合强化螺旋通道换热的数值研究

本文旨在研究三角对翼和柱形涡发生器组合后强化矩形螺旋通道内流体换热的特性。采用CFD模拟的方法分析了对翼攻角α、无量纲参数高度h_i'对螺旋通道内流体流动和换热的影响。结果表明:三角翼采用下降流型布置时,在柱后θ=10°的截面上二次流呈四涡结构,加速尾迹区与主流流体的混合,强化了传热;在所研究范围内,α增大,组合涡发生器强化传热效果先增大后减小,在攻角α=30°时强化传热效果最优;其它参数相同时,三角翼h_i'增大,螺旋通道的Nu和阻力系数f均增大,但综合因子G减小。     

内置转子换热管旋流部分的数值模拟

研究了介质为60%甘油时内置螺旋两叶片转子换热管的传热及阻力特性,通过实验研究和数值模拟,得到了介质为高黏度流体时强化传热的模拟方法。同时,分析了单个洁能芯转子在强化管内的旋流长度,并对比分析了转子间隔对强化管传热及阻力特性的影响。模拟结果表明,在换热管长度相同的前提下,转子无间隔排列强化管的努塞尔数（Nu）是转子间隔排列时的1.073～1.078倍;但是前者的阻力系数（f）则比后者的阻力系数高出61.76%～62.01%,因而在强化传热综合性能方面,前者的综合性能优于后者,由此推断,转子的间隔排列方式有利于提高强化管的强化传热综合性能。     

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。     

单弓折流板管壳式换热器壳程局部传热及流阻研究

对半圆形单弓折流板管壳式换热器壳侧局部传热性能、局部流速及阻力进行了实验研究,测量结果表明,其壳侧局部传热膜系数的变化规律与相应点速率变化规律相一致。所取24个测量位置点分布较为合理,基本上反映了换热器局部相应换热及流场分布规律。同时归纳出换热器壳侧的平均努塞尔准数Nu与雷诺准数Re的关联式及流动阻力系数f与雷诺准数Re的关联式,为换热器的实际运用提供了参考依据。     

梯形螺旋外肋管管外强化传热性能研究

为研究梯形螺旋外肋管(TSEFT)强化传热效果,建立了其管外周期单元流道模型。在雷诺数10 000≤Re≤24 000范围内,通过数值模拟研究不同参数对其流动传热以及阻力性能的影响。研究表明:梯形螺旋外肋改变了流体的流动状态,从而扰动边界层使其不断脱落,达到强化传热的效果。随着肋高e与底宽b的增大,顶角α与螺距p的减小,梯形螺旋外肋管的传热系数与压降均相应增加。在低雷诺数区域,梯形螺旋外肋管综合性能普遍优于圆形外肋管,综合换热因子最大可以达到1.42。利用多元线性回归拟合了梯形螺旋外肋管管外流动传热与阻力计算关联式,为该类换热管的工程应用提供了设计依据。     

微通道形状对自相似热沉综合性能的影响分析

自相似微通道热沉(SSHS)作为一种新的换热结构设计,比一般的微通道热沉(MHS)具有更好的综合性能。前期工作通过将内部分流通道改为渐缩式斜坡结构,使内部流量分配不均受到了很大抑制。本文在此基础上,利用数值模拟方法进一步分析了微通道(溢流通道)形状对SSHS流动及传热过程的影响。计算结果表明,原设计中溢流通道内存在较大的低流速区,导致了不均匀的换热过程;将矩形截面微通道改为梯形截面,可以减小溢流通道内低速区的流通面积,从而使微通道内的流动和换热过程更加均匀;进一步对比分析发现,随着溢流通道顶部宽度mw减小,低流速区域占比进一步减小,换热均匀性有所提高;该结构优化方案对流动阻力的影响较小,流量在0.18~1.8kg/h范围内,流动阻力增加平均不超过5%,但换热均匀性平均提高15%左右。     

半周加热横纹管内熔盐强化传热特性

半周加热太阳能吸热器管给管内对流传热系数带来影响,基于此,建立半周加热横纹管内熔盐对流传热的实验台和数值计算模型,分析横纹管槽宽、槽深对管内熔盐传热性能的影响规律,结果表明:从横纹管绝热侧到加热侧,周向管内壁温度逐渐升高,周向管内局部Nusselt数先减小后缓慢增大至稳定。横纹管凹槽处轴向管内壁温度明显低于平滑段,凹槽处轴向管内局部Nu较大,凹槽后与平滑段交界处管内局部Nu最小。横纹管槽越宽,加热侧轴向管内局部Nu越小,管内平均Nu越小,传热综合性能评价因子PEC越大。横纹管槽越深,轴向管内局部Nu越大,管内平均Nu越大,传热强化倍数Nu/Nu_(ST)越大。槽宽对横纹管PEC的影响比槽深明显,槽深对横纹管内Nu/Nu_(ST)影响比槽宽大。通过线性拟合得到半周加热横纹管内熔盐传热Nu的关联式,其计算Nu与模拟值最大偏差在±7%以内。