微通道内液体流动和传热研究进展

随着尺度的微细化,微通道内液体的流动和传热出现了不同于常规尺度的现象。液体流动的Re、传热Nu和摩擦常数C等都出现了新的变化规律。许多在常规尺度下不重要的因素如黏性耗散、轴向热传导和表面浸润性等都开始变的突出。研究流体在微通道的流动和传热规律,具有重要的现实意义。对微通道内液体的流动和传热研究进行了总结,尤其是对微通道内液体的黏性耗散进行了详细的分析。     

矩形微通道中流体流动阻力和换热特性实验研究

以去离子水为流体工质,对其在矩形微尺度通道中的流动阻力和传热特性进行了实验研究。通过测量流量、进出口压力和温度等参数,获得了流体流过微通道时的摩擦阻力系数、对流换热过程中的热流通量和N u等。微尺度通道中流体流动的摩擦阻力系数较常规尺度通道中的摩擦阻力系数小,仅是常规尺度通道中摩擦阻力系数的20%~30%;且流动状态由层流向湍流转捩的临界R e也远小于常规尺度通道的。微尺度通道中对流换热的N u与常规尺度通道的显著不同。流量较小时,N u较常规尺度通道中充分发展段的小;随着水流量的增加,微通道的N u迅速增加,并很快超过常规尺度通道的N u,表现出微尺度效应。热流通量对微尺度通道中对流换热N u存在影响,其影响规律在不同流速条件下呈不同趋势,流速较小时,N u基本保持不变;而在流速较大时,N u随热流通量增加而呈增加趋势。     

多孔微通道流动沸腾换热特性的实验研究

本文通过实验的方法对烧结的多孔微通道和铜基微通道的沸腾换热性能和流动不稳定进行研究.实验工质选用去离子水,采用的铜粉粒径分别为30μm、50μm、90 μm,烧结底厚为200 μm和400 μm.采取控制变量的方式,研究改变入口温度、铜粉粒径大小、入口流量对多孔微通道和铜基微通道换热性能的影响.研究表明:多孔微通道最优的厚度粒径比在2～5之间,在此区间的多孔微通道可以提高沸腾传热的性能.其中厚度粒径比为2和4的多孔微通道的最大换热系数是铜基微通道的换热系数的5倍.多孔微通道相对于铜基微通道有更好的换热能力,有着较低的壁面温度.     

微通道内流动沸腾特性研究

对国内外微通道流动和换热的研究实验作了总结,阐述了影响微通道换热系数的因素,如热流密度、过热度和干度等.对去离子水在内径为0.65 mm、长为102 mm的圆形管道内流动沸腾换热进行了实验研究,得到了局部换热系数随干度的变化关系,进而根据换热系数的变化趋势讨论了饱和流动沸腾区微通道内主导的换热机制.结果表明:从换热系数随干度的变化关系很难判定主导的换热机制;将实验数据与已发表的预测关联式进行了比较,发现大多关联式都失效,说明基于常规理论的模型不再适用于微通道.     

微尺度通道内流动沸腾研究综述

阐述了微尺度通道内传热问题出现的工程背景——高密度微电子器件的冷却。对当前国内外微尺度通道内流动沸腾换热特性的研究现状进行了归纳。突出分析了工质种类、微尺度通道的几何参数和工质的工况参数等对微尺度通道内流动沸腾换热特性的影响。同时分析了微尺度通道内流动沸腾换热的强化机理、流动阻力特性、压降关联式和沸腾换热关联式的理论和实验研究。最后根据分析对今后的工作提出了一些建议。     

水平PDMS微通道内气-液弹状流特性观察

对以空气、甘油为工作流体在水平聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)微通道内产生的弹状流进行了可视化实验研究.实验结果表明,微通道中弹状流的气柱速度随着体积含气率增大而阶梯状减小.气柱长度在体积含气率小于0.06时几乎不发生变化;当体积含气率大于0.06时,随体积含气率的增大而呈线性增大.气柱间距随体积含气率的变化与气柱长度相反.气柱和微通道壁面之间存在稳定的薄液膜,当地薄液膜压力稳定,气柱流经当地时所造成的压力波动很小;当地静压随体积含气率的增大而减小.     

微通道和小通道内流动沸腾换热的研究

介绍了小通道、微通道内流动沸腾换热机理的最新进展，其中包括国内外学者对各种形状的单通道小通道内流动沸腾现象的解释及其对换热系数影响的各种不同看法，以及微通道内流动沸腾换热现象研究的概况；还介绍了小通道和微通道内流型转变的研究现状，指出了各研究者研究结果的差异，并提出要进一步探索小通道微通道内流动沸腾换热现象，必须借助更先进的观测手段等。     

等温热源微通道单相液体层流换热特性

对Dh=0.82mm的矩形微通道阵列内等温热源作用下层流传热特性进行了实验和数值模拟。实验中使用常温自来水提供等温热源。微通道流体流动雷诺数Re=100～900,传热温差50K,将所得数据与常规尺度均匀壁温加热下N-S方程的数值解法结果进行对比。结果表明,在Re300时,Nu数随着Re数的增加而增加;而在Re350时,实验所得Nu数近似为常数。将发展入口条件的数值模拟结果与实验结果比较,前者比后者高7.2%。     

交错内肋微通道的流动和传热特性研究

为了研究带有交错内肋微通道的流动和传热特性,采用数值模拟的方法分析了肋片的形状对微通道热力性能的影响,对比了矩形肋、菱形肋、三角形肋和圆形肋4种不同形状内肋结构的微通道和光滑矩形微通道的热力性能。结果表明：矩形肋、菱形肋、三角形肋和圆形肋微通道的努塞尔数Nu都大于光滑矩形微通道的努塞尔数Nu,最大值分别为光滑矩形微通道的2.59,2.71,2.90和2.48倍;肋片对微通道的传热特性具有显著的强化作用,这是由于流体在交错内肋的后方产生涡流,实现整个流场的全局强化传热,极大提升微通道传热特性;交错内肋的应用也增大了通道的摩擦系数,矩形肋、菱形肋、三角形肋和圆形肋微通道摩擦系数的最大值分别为光滑矩形微通道的8.66,7.96,17.50和5.96倍。     

微小通道内流动沸腾压降特性实验研究

通过对矩形微小通道中流动沸腾的实验,讨论了通道压降的稳态与动态特征及稳定域判别方法;对不同实验工况下压降时序进行频域分析,提出微小通道压降振荡的产生主要源于汽泡产生、传输及微小通道与入口可压缩空间或柔性空间的耦合;此外,基于AR(自回归)模型对系统实验段压降振荡进行实验建模,结果表明,较大流量时受限变形汽泡流与环状流出现时压降振荡相对较稳定;小流量时,压降不稳定性情况比较复杂,容易形成不稳定区域。     

湿法烟气脱硫吸收塔烟气流场数值模拟研究

介绍了湿法烟气脱硫系统吸收塔的结构特点,并对某项目燃用设计煤种时不同负荷条件下吸收塔内烟气流场的分布进行了模拟研究和分析。验证了该项目吸收塔设计的合理性及实际运行时对负荷的适应性,为吸收塔的优化设计和稳定运行奠定了理论基础。     

仿柳叶形静态混合元件的流动及混合特性研究

与现有的叶片规则排列的静态混合器相比,仿柳叶结构的不规则叶片排列方式更容易使气流的流动变得紊乱复杂,加剧微团间相互作用,实现短距离混合。本研究采用FLUENT(商用计算流体力学)软件模拟了在叶片与水平方向轴线分别呈不同角度时仿柳叶型混合元件的抗流作用,并在风洞中利用热线风速仪完成了速度场测量。研究表明:静态混合元件不同叶片角度下的流场湍动能分布趋势基本相同;其沿程压降变化趋势也基本一致,当速度标准偏差系数小于20%,叶片与轴线夹角为60°时气流混合距离最短。结合CO与空气在混合装置内的混合情况分析得:仿柳叶型静态混合元件叶片角度的增加能够使流体在速度以及浓度混合均匀时所需距离变短。     

颗粒帘换热器中固体颗粒流动特性实验研究

提出了一种基于气体-固体颗粒快速热平衡的颗粒帘换热器。为揭示该换热器中气粒两相间的动力学特性,在颗粒帘换热器实验平台上开展了颗粒帘换热器中固体颗粒流动特性的冷态实验。实验结果表明:颗粒帘沿程厚度随进气速度的增加而减小,颗粒帘后沿水平偏移量随进气速度的增加而增大;颗粒帘沿程厚度及颗粒帘后沿水平偏移量随颗粒帘初始厚度的增加而增大,随颗粒粒径及颗粒质量流量的增加而减小;颗粒帘沿程厚度和颗粒帘后沿水平偏移量随着颗粒帘下落高度的增加而增大;颗粒帘落点水平偏移量随进气速度的增加而增大,随颗粒帘初始厚度及颗粒粒径及颗粒质量流量的增加而减小。这些结果为颗粒帘换热器结构的优化设计和气固两相流动、换热及积灰特性的研究奠定了良好的基础。     

细颗粒在粗糙管壁管道内运动特性的研究

基于1 000mm×20mm×20mm的窄矩形通道,利用Fluent软件模拟细颗粒在管道内流动时的运动特性,并通过对比粗糙管道和光滑管道,得到了粗糙度对管道内温度场的影响以及细颗粒在窄矩形通道内的质量浓度分布和速度分布.结果表明:当存在温度梯度的情况下,细颗粒会在管壁处发生沉积,粗糙度会增大靠近管壁处的温度梯度,增强管壁附近的热泳效应和湍流效应,从而促进细颗粒在管壁附近的富集.     

水平微细管内CO2流动沸腾流态研究

针对CO_2水平微细管内流动沸腾换热流态及流态转变特性进行实验研究。实验工况:热流密度(5~35 k W/m~2)、质量流率(50~600 kg/(m~2·s))、饱和温度(-40~0℃)、管径(0.5~1.5 mm)。实验表明:CO_2在微细管内实际流态分别是泡状流、弹状流、间歇流、层流、波状流、混状流、环状流和雾状流;干涸过程中的流态主要为环状流-雾状流、波状流-雾状流的过程及不稳定的环状流;通过理论计算获得CO_2微细管内流动沸腾换热流态图,流态图显示热流密度对高干度区域流态转变有显著影响,质量流率大小直接决定了换热过程所经历的流态;不同饱和温度工质热物性不同改变了流型;理论分析所采用的流态形式与实际CO2在微细管内所具有的流态类型基本一致。     

苦草对明渠水流运动特征影响的试验

为了解含植被水流运动规律,以柔性植物苦草为对象,在室内水槽中开展了苦草斑块对水流时均运动特征影响的试验,观测分析了不同水流(断面平均流速分别为3、5、10cm/s)和不同植株密度(172、86、43、0株/m2)条件下含苦草水流的流速分布结构。结果表明,植被斑块对水平流速分布有影响,在斑块尾部边缘有涡的产生;由于植被的阻流作用,使得植被斑块内部流速沿程减小,斑块外围流速沿程增大;垂线流速呈S型,可划分为底边界层区、冠层次级最大流速区、冠顶过渡区及冠层上部对数流速分布区。植株密度对冠层次级最大流速区影响最为显著,密度越大,流速削减越迅速,逆转梯度越大;断面平均流速越大,植被对水流的影响越显著。     

丁坝对弯道水流特性影响的数值分析

针对丁坝对弯道水流水力特性影响的问题,建立了相应的概化模型,通过数值模拟的方法研究了不同角度下丁坝对弯道水流特性、弯道水流横向水面超高和流速场的影响。结果表明,在丁坝影响下,弯道水流横向水面横比降计算公式应考虑丁坝对河道的束窄、丁坝尺寸和弯道角度等综合因素的影响进行修正,为深入探讨弯道水流特性奠定了基础。     

微细通道内R290流动沸腾换热特性实验研究

对R290制冷剂在微细通道内的流动沸腾换热特性进行了实验研究。研究管径分别为1和2 mm,热流密度为20~65 k W/m~2,质量流率为100~200 kg/m~2·s,饱和温度为15和25℃,干度范围为0.1~0.9。通过实验数据分析管径、热流密度、质量流率、饱和温度对流动沸腾换热的影响。结果表明:随着管径的下降,换热系数呈现出大幅上升的趋势,其平均增幅为31%;随着热流密度的上升,换热系数呈现出大幅上升的趋势,其平均增幅达到了131%;随着质量流率的上升,换热系数呈现出小幅上升的趋势,其平均增幅为14%;随着饱和温度的上升,大部分换热系数呈现出小幅上升的趋势,其平均增幅为12.6%。     

进气道螺旋段结构参数对流动特性影响的研究

用CFD软件进行了柴油机螺旋进气道流动特性的三维数值模拟;利用气道稳流试验台验证了模拟计算的准确性,分析了螺旋段的结构参数对流场特性的影响。研究发现:由于螺旋气道结构的复杂性,螺旋段结构参数对气道性能的影响十分复杂,其中,影响较敏感的结构参数为过渡圆半径、蜗壳半径和气门凸台高度。     

基于图像处理的小通道内气液两相流含气率的实验研究

采用高速摄像机对水力直径为1.15 mm的正三角形小通道内气液两相流流型进行实时拍摄和图像采集,提出一种利用数字图像处理技术检测小通道内气液两相弹状流体积含气率的方法。针对小通道内两相流型中气泡间相互无遮掩的优势,利用图像处理技术对各流型图像进行消噪、边缘提取、二值化、区域标记和填充等处理,根据提出的三维气相体积计算模型得到体积含气率。最后与漂移流模型计算结果进行比较,比较和实验结果都表明:对于弹状流,该方法得到的含气率与真实值的误差在±15%以内,具有较高的测量精度;并对实验数据进行回归分析得到了截面含气率公式,可用于微小通道内气液两相流参数的在线检测,为今后微小通道内的两相流动特性研究提供参考。