惯性约束聚变靶丸内杂质气体抽空流洗过程的数值模拟

低温冷冻靶是实现惯性约束聚变(inertial confinement fusion,ICF)的关键部件之一.低温靶靶丸内杂质气体的去除程度和效率对低温靶燃料冰层的在线制备具有重要意义.依据低温靶物理对冰层杂质含量的设计要求,在计算靶丸内杂质气体最大允许分压的基础上,建立了靶丸内气体在微米级充气管内流动的抽空流洗模型.模拟研究了不同微管尺度及结构、温度对靶丸内杂质气体抽空流洗效率的影响规律,获得了靶丸充气微管的最佳管型设计方案.基于最佳管型设计,优化得到了具有最高抽空流洗效率的抽空时间与流洗次数组合策略.     

PA-PVA-CH塑料微球充D2和Ar

ICF塑料靶丸典型结构由3层组成：内层起支撑作用的聚苯乙烯（PS），中间起阻气作用的聚乙烯醇（PVA）和外部的烧蚀层碳氢（CH）。作为靶丸，空心塑料微球内的气体由燃料气体和诊断气体组成。燃料气体目前使用的主要是D2。塑料微球采用热扩散法充气，D2在塑料球壳中扩散很快，而Ar却渗透很慢，因此，塑料靶丸充气的核心工艺是如何充Ar和如何保D2。利用充Ar条件充D2或利用保D2技术保Ar都是很容易实现的。塑料微球充气在自行研制的充气系统中完成，球内气体采用四极质谱或X射线荧光谱仪进行测量。     

水平微圆管内环状流气液界面不稳定性分析

本文以水平微圆管内气液两相环状流气液界面为研究对象,通过分析重力、表面张力和界面剪切力对环状流液膜厚度的影响,重点考虑Rayleigh不稳定性对气液界面的依存关系,得到了不同管径和气核直径变化时不稳定性的变化规律,并分析拟合了最危险波长和气核直径的关联式,为后续建立高热流密度条件下微通道内强化传热理论模型奠定基础.     

充液率对小型重力热管传热特性影响实验研究

开展了矩形槽道铝-乙醇小型重力热管的传热特性的实验研究,分析讨论了充液率对壁面温度分布、气液两相分布、热阻等热管传热性能的影响。研究表明,充液率对高热负荷工况的两相流动状态和传热特性有显著影响。两相脉动是高热负荷工况小型重力热管特有的两相流动现象.低充液率时,液塞易被气流冲破形成环状流,壁面温度几乎无波动。中等充液率时,在蒸汽和液塞的交替冲刷作用下,热管各段壁面温度均表现出脉动特性。高充液率时,液塞脉动速度的减小削弱了液塞对壁面的冲刷作用,壁面温度未出现明显波动.并且,中等充液率工况下气液两相的快速脉动增强了热管的传热性能,使得均温性和传热极限均优于低充液率和高充液率的情况.     

微通道内光热相变驱动流体运动特性研究

本文通过可视化实验,对微通道内光热效应致相变驱动流体运动特性进行了研究,通过红外聚焦激光跟随微通道内液柱气液界面进行加热持续产生的蒸发冷凝-聚合过程对液柱进行连续驱动。实验研究了激光功率、加热点位置对相变过程中的界面行为、冷凝液滴分布、驱动速率的影响规律。结果表明,激光功率越高,光斑距离界面越近,液柱蒸发速率越大,蒸汽浓度高,冷凝液滴分布越密集,驱动流体流动速度越快。     

微腔内气体抽离的多尺度模拟与分析

基于适用于整个克努森数范围的流动理论,建立了去除惯性约束聚变实验中靶丸内空气的理论模型,并设计实验验证了此模型的可靠性。物理实验要求靶丸内空气浓度低于10×10?6,数值模拟了去除靶丸内空气的过程,重点分析了靶丸内空气浓度、压力与除气时间的关系。计算并比较了单管路一次抽气法、单管路循环抽气法与双管路流洗法三种去除靶丸内空气方法的时间成本。数值计算结果表明:单管路一次抽气法中,靶丸上的微通道的存在对去除靶丸内空气所需时间的影响不可忽略,在考虑靶丸上微通道与充气管的情况下,需要1961.77 h才能使靶丸内的空气浓度达到标准。单管路循环抽气法中,抽气次数与单次抽气程度会影响去除靶丸内空气所需总时间,在单次抽气程度值取最优的情况下,采用充三次,抽四次的方案可使达标总时间减少至1 h左右,此方案下单次充气和抽气时间分别为6 min和10 min。而采用双管路流洗法则仅需11 min便可使靶丸内空气浓度达标。     

微通道内滑移区气体-颗粒流动传热数值模拟

本文针对微通道内气粒间流动传热过程开展数值研究,所建模型中气体处理为可压缩/变物性流体,并在气固交界处采用速度滑移和温度跳跃边界条件以考虑其微尺度效应。在数值研究基础上,分析了微通道受限空间、克努森数、气体流速以及颗粒表面温度对微通道内气粒换热的影响。研究结果表明,受限空间结构将强化气粒间换热过程,颗粒表面平均传热努赛尔数随微通道气体流量增大而增大,克努森数增大以及颗粒表面温度升高都将导致颗粒表面平均传热努赛尔数减小。     

ICF平面冷冻靶制备中充气速率效应

基于自主研制的平面冷冻靶打靶系统及微管注入法充气/冷冻技术,探讨了不同充气速率对平面冷冻靶制备的影响。研究表明:随着充气速率的减小,靶盒内氢气压强的变化速率越小,液化过程越明显,并且持续的时间越长;充气速率越小,越能准确测量液氢在该温度下的饱和蒸气压。同时,确定了最佳充气速率,建立了利用饱和蒸气压标定液氢温度的方法。研制的平面冷冻靶已经成功提供ICF物理实验。     

基于温度梯度的ICF冷冻靶均化技术研究

惯性约束聚变(ICF)冷冻靶中氘氘(D2)、氘氚(DT)等燃料冰层在靶丸中的分布由靶丸所处的温度场决定。在氘氘冷冻靶中,垂直温度梯度引起的气-液界面张力梯度可以抵消重力作用,使氘氘液体在靶丸内均匀分布;然后在氘氘的三相点附近缓慢降温,可以实现燃料冰层的均化。在氘氘冷冻靶均化实验系统上,采用温度梯度结合制冷速率与制冷过程控制的方法,实现了1mm直径、30μm壁厚的辉光放电聚合物(GDP)靶丸中氘氘冰层的均化,对背光阴影图像中亮环位置进行分析表明:氘氘冰层的平均厚度为185.56μm,均匀度为80.2%,模数-功率谱曲线中模数2~100对应的内表面粗糙度为2.26μm。     

T型微通道气液两相流流动与传热的数值研究

为进行微通道气液两相流动及传热研究,建立了T型微通道模型,利用VOF方法进行数值模拟,对弹状流流型进行了数值分析,考察了弹状流的形成过程、速度、表面张力和粘度对弹状流流型的影响,计算了气泡速度和液膜厚度,并与经验关联式进行比较。结果表明:液体粘度对弹状流的影响较大;而表面张力对弹状流几乎没有影响,当气速一定时,液速越大,气泡的长度越小而液柱的长度越大。气泡速度和液膜厚度与经验关联式的计算结果误差分别为2.57%和4.87%。     

内嵌微流道低温共烧陶瓷基板传热性能（英）

随着系统级封装（SIP）所容纳的电子元器件和集成密度迅速增加,传统的散热方法（热通孔、风冷散热等）越来越难以满足系统级封装的热管理需求。低温共烧陶瓷（LTCC）作为常见的封装基板材料之一,设计并研制了三种内嵌于LTCC基板的微流道,其中包括直排型、蛇型和螺旋型微流道（高度为0.3 mm,宽度分别为0.4, 0.5和0.8 mm）。通过数值仿真和红外热像仪测试相结合的方式分析了微流道网络结构、流体质量流量、雷诺数、材料热导率对内嵌微流道LTCC基板换热性能的影响,实验结果表明:当去离子水的流量为10 mL/min,热源等效功率为2 W/cm2时,直排型微流道的LTCC基板最高温度在3.1 kPa输入泵压差下能降低75.4 ℃,蛇型微流道的LTCC基板最高温度在85.8 kPa输入泵压差下能降低80.2 ℃,螺旋型微流道的LTCC基板最高温度在103.1 kPa输入泵压差下能降低86.7 ℃。在三种微流道中,直排型微流道具有最小的雷诺数,在相同的输入泵压差下有最好的散热性能。窄的直排型微流道（0.4 mm）在相同的流道排布密度和流体流量时比宽的微流道（0.8 mm）能多降低基板温度10 ℃。此外,提高封装材料的热导率有助于提高微流道的换热性能。     

基于康托尔分形微通道流动与传热的模拟

高密度、 小体积和高集成的电子元器件散热困难, 易造成过早失效, 采用微通道换热器可以实现小体积内高热流的散热, 但流动阻力很大. 为了保证传热效果, 降低流动阻力, 本文提出了一种新型的微通道结构并对其流动与传热特性进行了数值模拟. 首先研究了微通道形状和结构, 模拟结果表明: 进出口截面宽高比为0.8 的矩形微通道的换热效果最好; 并在此基础上提出一种康托尔分型凹槽结构, 研究了有无康托尔分形以及不同分形级数对流动与传热性能的影响, 综合对比发现: 第二级康托尔分形模型 N2 既能保证热阻显著降低, 又能相比阵列结构降低压降, 具有明显的换热优势; 最后对这种康托尔分形结构的凹槽形状, 尺寸及不同方向上的分形进行研究, 结果表明梯形凹槽的下上表面长度比b/a 为0.6 、 流动方向分形比fx 为1 .25 和通道高度方向分形比fy 为1 .5 时换热流动性能最佳.     

超临界LNG在错列S形翅片微通道的流动传热特性研究

作为一种新型微通道换热器,印刷电路板式换热器(Printed Circuit Heat Exchanger,PCHE)因比表面积大、耐高压和低温、海上适应性强以及便于模块化等特点,近年来逐渐成为浮式LNG接收站和浮式储存及再气化装置的主低温换热器首选.针对改进后的错列S型翅片,对超临界LNG在翅片通道内的流动传热特性展...     

Design and Experimental Investigation of a Gas-to-Gas Counter-Flow Micro Heat Exchanger

In this work, a double-layered microchannel heat exchanger is designed for investigation on gas-to-gas heat transfer. The micro-device contains 133 parallel microchannels machined into a polished polyether ether ketone plate for both the hot side and cold side. The microchannels are 200 μm high, 200 μm wide, and 39.8 mm long. The design of the micro-device allows tests with partition foils in different materials and of flexible thickness. A test rig is developed with the integration of customized pressure and temperature sensors for in situ measurements. Experimental tests on the counter-flow micro heat exchanger have been carried out for five different partition foils and various mass flow rates. The experimental results, in terms of pressure drop, heat transfer coefficients, and heat exchanger effectiveness are discussed and compared with the predictions of the classic theory for conventionally sized heat exchangers.     

Experimental Investigation on Heat Transfer Characteristics of a Gas-to-Gas Counterflow Microchannel Heat Exchanger

Heat transfer characteristics of a gas-to-gas counterflow microchannel heat exchanger have been experimentally investigated. Temperatures and pressures at inlets and outlets of the heat exchanger have been measured to obtain heat transfer rates and pressure drops. The heat transfer and the pressure drop characteristics are discussed. Since the partition wall of the heat exchanger is thick compared with the microchannel dimensions, a simple heat exchange model with constant wall temperature is proposed to predict the heat transfer rate. The predicted heat transfer rate using the constant wall temperature model agrees well with the experimental results.     

微通道冷却器内流动和传热特性的数值模拟

为满足固体激光器用微通道冷却器的换热要求, 根据冷却器结构分别建立了二维和三维物理模型, 利用计算流体力学方法首先对比研究两者的流动特性, 然后考察雷诺数和玻片生热量对微通道流动和传热特性的影响。结果表明:对于类似大平板间的矩形微通道层流流动区域, 其流动及传热特性可直接采用二维简化模型进行模拟分析;对于重点关注的转捩区, 采用三维模型模拟分析更好;当雷诺数增大到转捩点, 流体的传热效果得到明显增强;随着雷诺数的增大, 玻片生热量对通道内最低压力需求的影响逐渐减小;不同玻片生热量对微通道流动影响不可忽略, 对努赛尔数和通道总压降基本无影响。     

Thermo-Hydraulic Behavior of Microchannel Heat Exchanger System

This article presents an experimental study of thermo-hydrodynamic phenomena in a microchannel heat exchanger system. The aim of this investigation is to develop correlations between flow/thermal characteristics in the manifolds and the heat transfer performance of the microchannel. A rectangular microchannel fabricated by a laser-machining technique with channel width and hydraulic diameter of 87 μm and 0.17 mm, respectively, and a trapezoidal-shaped manifold are used in this study. The heat sink is subjected to iso-flux heating condition with liquid convective cooling through the channels. The temporal and spatial evolutions of temperature as well as total pressure drop across the system are monitored using appropriate sensors. Data obtained from this study were used to establish relationships between parameters such as longitudinal wall conduction factor, residence and switching time, and thermal spreading resistance with Reynolds number. Result shows that there exist an optimum Reynolds number and conditions for the microchannel heat exchanger system to result in maximum heat transfer performance. The condition in which the inlet manifold temperature surpasses the exit fluid temperature results in lower junction temperature. It further shows that for a high Reynolds number, the longitudinal wall conduction parameter is greater than unity and that the fluid has sufficient dwelling time to absorb heat from the wall of the manifold, leading to high thermal performance.     

环路热虹吸管间歇沸腾可视化实验研究

针对两相环路热虹吸管中出现的间歇沸腾不稳定现象,分别以R134a、水和无水乙醇作为工质,通过流场可视化实验观测,探究了间歇沸腾出现的条件及其对环路传热特性的影响。实验结果表明,在中等充液率和中等加热热流密度条件下更容易发生间歇沸腾现象;流型的周期性变化引起环路内部压力和温度波动,同时会增加环路的均温性;流型变化和波动特性因工质不同而有所差别,水作为工质时,波动周期更长,流型变化及压力波动更复杂。     

微通道换热器大温差条件下流动换热研究

随着高效预冷器在航天航空领域发挥越来越重要的作用,紧凑高效换热器的研究成为了人们关注的热点。本文基于紧凑微通道换热器的几何特征,针对矩形截面平行流道换热器内超临界压力低温流体(氢和氦)在大温差条件下的流动换热现象进行数值模拟研究。通道截面边长小于1 mm,热流体氦和冷流体氢的进出口温差均大于600 K。通道内流体换热系数在顺流和逆流条件下有不同的变化趋势,并出现峰值。换热量随着通道宽度的增大而增大,流动压降随着通道宽度的增大而减小。冷热流体逆流时换热量大,压降较小,但对换热器材料要求较高。     

微通道换热器大温差条件下流动换热研究

随着高效预冷器在航天航空领域发挥越来越重要的作用,紧凑高效换热器的研究成为了人们关注的热点。本文基于紧凑微通道换热器的几何特征,针对矩形截面平行流道换热器内超临界压力低温流体(氢和氦)在大温差条件下的流动换热现象进行数值模拟研究。通道截面边长小于1 mm,热流体氦和冷流体氢的进出口温差均大于600 K。通道内流体换热系数在顺流和逆流条件下有不同的变化趋势,并出现峰值。换热量随着通道宽度的增大而增大,流动压降随着通道宽度的增大而减小。冷热流体逆流时换热量大,压降较小,但对换热器材料要求较高。