电场作用下矩形微槽群润湿特性数值分析

以预测电场作用下竖直矩形微槽群热沉内液体润湿特性为目的,基于自适应理论,建立一维轴向模型,研究了电场强度、热通量以及微槽尺寸对润湿特性的影响。结果表明：电场作用下润湿长度随热通量增加逐渐降低。当热通量较低时,电场强度对润湿长度的强化较大,但随着热通量的增大强化程度减弱。电场强度对矩形微槽群热沉适应长度的强化较小,而对于边角流动区域长度的强化较为显著。电场作用下润湿长度随槽深和槽宽的增加分别呈增加和下降的趋势。与较小槽深槽宽相比,当槽尺寸较大时,电场强度对微槽内液体润湿强化更为显著。     

竖直毛细微槽群热沉中蒸发液体的干涸特性

利用宽视场体视显微镜和CCD摄像系统对纯蒸发换热情形下竖直放置的矩形毛细微槽群热沉中的液体沿微槽槽道方向的流动情况和干涸点高度（润湿高度）进行了观察测量，并对微槽几何尺寸、工质等因素对润湿高度的影响进行了实验研究。实验结果表明：纯蒸发情形下的液体润湿高度随着输入加热功率的增加而陡降；一定热负荷下，微槽较深、较窄以及微槽群密度较大时液体的润湿高度较高；甲醇和乙醇在较低输入加热功率条件下的润湿能力要强于蒸馏水；竖直毛细微槽中液体的润湿特性受重力的影响严重。     

电场对竖直矩形微槽群润湿及表面温度的影响

微槽群在热流密度较大时会达到其毛细极限，可通过主动换热方式之一——电水动力学效应对其进行强化。本文为了研究电场对微槽群表面润湿特性和温度分布的影响，采用平板电极提供电场，蒸馏水作为工质，使用高速相机拍摄微槽内液体润湿长度，测量误差为2.97%～7.46%；使用红外热像仪拍摄电场作用下微槽群表面温度分布，测量误差为2.1%～2.39%。热流密度测量误差范围是9.66%～11.11%。结果表明：电场通过驱动微槽内流体向加热区域流动而提升其润湿性能，且较低热流密度下提升更好。因润湿性能的提升，微槽表面温度得以下降。随着电场增强，微槽横向温度分布的“波峰”、“波谷”差别加大，微槽纵向温度明显降低。当热流密度加大时，温降更为显著，1.4W/cm²热流密度、6kV电压下温降可达到30℃以上。温降的增加反映了电场对微槽的强化润湿进一步提升了微槽换热性能，且电场对较高热流情形下的微槽换热有着更为显著的强化效果。     

电场对三角形微槽热沉轴向干涸特性的影响

将电流体动力学(EHD)主动强化换热技术应用到微槽换热器中是解决化工、能源领域散热问题的一种有效手段。参考自适应理论建立了一维轴向无量纲分析模型,并将库仑力、介电电泳力和电致伸缩力都引入进了模型中,研究EHD效应对三角形毛细微槽热沉内液体干涸特性的影响。研究发现,电场能有效提升微槽内液体干涸长度。三角微槽内液体的干涸高度以及自适应长度都随着电场强度的增加而增加。本文也得到了不同电场强度下三角微槽内液体曲率半径沿轴向的变化,发现随着电场强度的增加,相同截面上的液膜曲率半径增加,且离微槽入口越远的位置,曲率半径增加幅度更大。     

超亲水微纳复合结构表面热沉强化润湿与传热实验

利用碱辅助的表面氧化法在紫铜微槽群热沉表面生成了氢氧化铜纳米棒阵列结构,制备出一种全新的超亲水微纳复合结构表面热沉。并以蒸馏水为液体工质,进行了纯蒸发条件下微槽群热沉、微纳复合结构表面热沉和超亲水微纳复合结构表面热沉的润湿及传热特性的对比实验研究。实验结果表明：氢氧化铜纳米棒阵列结构使得原始亲水表面的亲水性更好,随着表面纳米棒数量的不断增多,接触角不断减小,最低为9.5°,可以进一步形成超亲水微纳复合结构表面。与无纳米结构的微槽群热沉相比,在相同输入加热功率下,微纳复合槽群热沉具有更高的液体润湿高度和更好的传热性能,而超亲水微纳复合结构表面热沉的形成会进一步提高强化润湿和传热效果,相比于紫铜微槽群热沉,超亲水微纳复合结构表面热沉内液体的润湿高度提高了300%,表面温度降低了15℃左右。     

电场对竖直微槽润湿及毛细流动特性影响

竖直微槽群毛细结构广泛应用在重力热管、蒸发器等散热设备内,但受重力等因素影响易达到毛细极限。引入电场的主动强化方式来提高竖直微槽的毛细极限,并通过实验和建立数学模型研究电场对竖直微槽内液体润湿及毛细流动特性的影响。结果表明,电场可以提高竖直微槽内液体润湿高度,当电场为5.0 kV时与无电场时相比,润湿高度强化比可达到30.0%。同时,电场作用下流体在微槽道内的毛细润湿流动呈分段效应：润湿流动初期,润湿高度与时间的1/2次方呈线性关系,即h-t^1/2,润湿速率与润湿高度的倒数呈线性关系,即v-1/h;润湿流动中后期,润湿高度与时间的1/3次方呈线性关系,即h-t^1/3,润湿速率与润湿高度平方的倒数呈线性关系,即v-1/h²,且润湿速率随时间呈下降趋势。     

电场对竖直微槽润湿及毛细流动特性影响

竖直微槽群毛细结构广泛应用在重力热管、蒸发器等散热设备内,但受重力等因素影响易达到毛细极限。引入电场的主动强化方式来提高竖直微槽的毛细极限,并通过实验和建立数学模型研究电场对竖直微槽内液体润湿及毛细流动特性的影响。结果表明,电场可以提高竖直微槽内液体润湿高度,当电场为5.0 kV时与无电场时相比,润湿高度强化比可达到30.0%。同时,电场作用下流体在微槽道内的毛细润湿流动呈分段效应：润湿流动初期,润湿高度与时间的1/2次方呈线性关系,即h-t^1/2,润湿速率与润湿高度的倒数呈线性关系,即v-1/h;润湿流动中后期,润湿高度与时间的1/3次方呈线性关系,即h-t^1/3,润湿速率与润湿高度平方的倒数呈线性关系,即v-1/h²,且润湿速率随时间呈下降趋势。     

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。     

梯形微槽道表面池沸腾换热性能研究

池沸腾换热表面的结构对其沸腾换热性能具有重要影响。为了进一步强化在较低表面过热度时池沸腾换热的性能,提出了新型梯形微槽道池沸腾换热表面,采用可视化实验方法研究了饱和温度下去离子水在该表面的池沸腾换热性能。结果表明：与光滑平面相比,梯形微槽道表面可以降低起始沸腾表面过热度;在相同表面过热度时,随着下底长度的增大、下底角角度的减小,梯形微槽道表面的热通量增加,换热能力增强。下底长度为1.2 mm、下底角度为45°的梯形微槽道表面具有最低的起始沸腾表面过热度（1.4 K）;在表面过热度为8.3 K时,其热通量能达到1.2×10⁶ W·m^-2,为相同表面过热度时光滑表面的24.0倍。较大的下底长度和较小的下底角角度有利于增强梯形微槽道表面的池沸腾换热性能。     

基于可视化观测和红外测温技术的微通道中乙醇蒸发气液相界面特性研究

研究了乙醇在微通道中蒸发时气液相界面(即弯液面)的特性以及弯液面处蒸发的传热过程。实验选取三种不同尺寸的矩形微通道,水力直径为571,762和1454μm,对应的截面长宽比分别为20,20和10。首先通过可视化观测弯液面构型,以及由稳定界面向不稳定界面的转换。同时,运用红外测温技术获取了弯液面处微通道壁面的温度分布。实验研究了不同微通道中液体蒸发率和单位长度接触线上的蒸发率随热流密度的变化趋势。另外,讨论了弯液面处的温度梯度(即热沉效应)及其影响因素,分析了微通道截面形状对蒸发的作用效果。研究表明,弯液面的稳定性随着蒸发率的升高而下降。热沉效应沿弯液面不断变化,蒸发在弯液面两侧更加剧烈,促进了液体内部的热毛细对流。蒸发率随热流密度的升高而升高,相同热流密度下较大微通道中蒸发率较高。在蒸发率较低时可认为热量存储在贴近壁面的过热层内。此外,单位长度接触线蒸发率与微通道截面长宽比有关,长宽比越小,单位长度接触线蒸发率越高。     

电场强化微槽道结构毛细芯蒸发器的传热特性

该实验以R141b作为工质,采用圆柱形电极,在不同运行压力条件下,实验研究了电场强度对微槽道结构换热表面蒸发/沸腾传热特性的影响。实验结果表明：随着电场强度的增加,传热强化效果越明显;运行压力对强化换热的效果具有重要的影响,在施加相同电场强度的条件下,不同运行压力的强化传热效果明显不同,传热系数最大可强化为未施加电场条件下传热系数的1.28倍。     

电场强化微槽道结构毛细芯蒸发器的传热特性

该实验以R141b作为工质,采用圆柱形电极,在不同运行压力条件下,实验研究了电场强度对微槽道结构换热表面蒸发/沸腾传热特性的影响。实验结果表明:随着电场强度的增加,传热强化效果越明显;运行压力对强化换热的效果具有重要的影响,在施加相同电场强度的条件下,不同运行压力的强化传热效果明显不同,传热系数最大可强化为未施加电场条件下传热系数的1.28倍。     

微槽道内饱和沸腾传热试验及其动力学分析

以去离子水为工质,在高为2mm,宽分别为0.3,0.6,2mm的铝制矩形槽道内进行了饱和沸腾换热试验。试验结果表明,去离子水在微尺度条件下其换热特性优于常规尺寸。且随着槽道尺寸减小,其换热能力逐渐增强。最后对0.6mm×2mm的矩形微槽进行试验,获得了压差随时间波动图。对该序列进行Lyapunov指数计算,结果表明,系统出现了混沌,表明微尺度的传热性能与系统的混沌特征有一定的关系。     

微槽群蒸发器在电子芯片冷却方面的应用

利用微槽群蒸发型热沉技术设计了一种新颖的用于电子芯片散热的微槽群蒸发器,对影响微槽群蒸发器散热性能的各种因素进行了实验研究.实验结果表明,采用适当的真空度和液容率,可以提高微槽群蒸发器的散热效果.通过与主流的奔腾4 CPU芯片风冷散热器的散热性能比较发现,在低于芯片许容上限温度（100 ℃）的范围内,微槽群蒸发器具有更高的散热热流密度;微槽群蒸发器更适用于具有高发热热通量和热敏性强的高性能电子芯片的冷却.     

不同温度下纳米流体对微槽群热沉毛细性能的强化差异研究

基于一维的自适应理论,采用经典的毛细上升法,在室温、40℃、60℃情况下比较分析温度对Fe3O4水基纳米流体强化微槽群热沉毛细性能的影响.结果表明:3个温度下,纳米流体所产生的强化效果随颗粒体积分数的变化规律是一致的,并存在统一的最佳体积分数.纳米流体对热沉毛细性能的平均强化比例随温度的提高呈现先减小后增大的趋势.低体...     

交流电场中贴壁气泡的动力学行为

深入研究外加电场作用下气泡的动力学特性，有助于了解电场强化沸腾换热的机理。鉴于此，采用VOSET界面追踪技术并耦合电场力模型数值模拟研究了交流电场中贴壁气泡的动态变形过程，分析了电压变化频率、电场强度、液体介电常数的影响机理。研究结果表明，电场力作用于气液界面，且指向气泡内部，通过挤压作用促使气泡变形；电压周期性变化导致电场力随之改变，促使气泡沿竖直方向的变形具有周期性，且气泡变形周期与电压变化频率紧密相关。电压变化频率较小时，气泡形变能够跟随电压变化，随着电压变化频率逐渐增大，气泡形变的跟随性逐渐减弱。电场强度与液体介电常数是影响电场力的重要因素，随着电场强度与液体介电常数的增加，电场力的挤压作用明显增强，气泡变形程度明显增加，峰值高度也随之增加，但是气泡变形周期无明显变化。同时，随着液体介电常数增大，气液界面周围电势与电场线的扭曲程度明显增加，气泡内部电场线密度也随之降低。     

微通道内R22制冷剂流动沸腾的压降特性

为探讨热流密度对二相流动沸腾摩擦压降的影响,并结合可视化探究改变热流密度时产生压降不稳定现象的机理,文章以R22制冷剂为实验工质,在截面尺寸高×宽分别为2.0 mm×2.0 mm,2.0 mm×1.0 mm和2.0 mm×0.6 mm 3种不同矩形微通道中,进行二相沸腾传热实验。实验表明:此实验条件下,R22制冷剂在微通道内进行二相沸腾传热时,二相摩擦压降是产生压降的主要因素;二相摩擦压降随热流密度的增加而增大,而且低热流密度下增幅较快,当热流密度增加到一定程度后,二相摩擦压降增加趋势变缓;在质量通量为253.2 kg/(m2·s)的条件下,热流密度从4.5 k W/m2增加到18.1 k W/m2时,流体流型经历了局部干涸再润湿的周期性变化,这种变化过程中压降波动较大。     

电场作用下动态超滤分离鲨软骨粘多糖的研究

研究了电场作用下动态超滤分离鲨软骨粘多糖的操作工艺;考察了不同电场强度下操作压力、温度、进料浓度和流速对膜通量的影响。结果表明,电场可以提高膜通量和膜截留率,强化超滤鲨软骨粘多糖的分离过程。     

液滴滴浸微通道入口段的动力学特性分析

采用流体体积(Volume of Fluid, VOF)函数捕捉气液相界面,研究液滴滴浸微通道入口段的运动,通过改变微通道入口段的截面宽度、润湿特性及液滴雷诺数(Re)和韦伯数(We)研究滴浸过程的动力学特性。结果表明,微通道入口段的截面宽度对液滴浸入微通道时的撞击过程影响最明显,随截面宽度减小,液滴撞击通道入口后通过微通道的难度增加,整个过程液滴所受阻力逐渐增大;当微通道截面宽度减至0.2 mm时,壁面润湿性效应凸显,表现为壁面静态接触角越大,液滴滴浸微通道时所受的阻力也越大。表面接触角较大时,为使液体通过微通道入口段,可适当增大液滴的Re,液体在通道内的浸润长度随Re增加成比例增大,当Re增至4000时,通道内开始出现射流现象。We减小,表面张力效应变得明显,通道内的流动阻力变大,液体流过微通道入口段的难度增大。     

表面活性剂溶液与壁面纵向微沟槽协同减阻研究

采用直接数值模拟方法对表面活性剂溶液在不同尺寸宽肋矩形微沟槽通道内的湍流流动进行了数值模拟研究。结果表明表面活性剂溶液的减阻性能在合适尺寸的微沟槽通道内能进一步得到强化,同时微沟槽的最优减阻尺寸在表面活性剂溶液中也可以得到放大;表面活性剂溶液在微沟槽通道内的协同减阻强化效果是由微沟槽的“约束作用”和“尖峰作用”这两个主要因素相互博弈的结果。微沟槽尖峰处具有较高的剪切应力,槽谷内部剪切应力很小。当微沟槽能有效防止近壁湍流涡侵入槽谷内部,且又能对部分流向涡的展向运动起到较好的约束作用时,微沟槽将表现出减阻强化性能,反之则会出现增阻性能。微沟槽在槽谷内诱导的数量多、尺寸小且旋转强度弱的二次流向涡是其在表面活性剂溶液中能增大“约束作用”和发挥减阻强化性能的本质因素。