通断微通道流动特性的数值模拟研究

微通道换热器以其良好换热能力已被广泛地应用于当前的实验研究中,通过数值模拟的方法对通断微通道内的流动特性进行了研究。重点分析了通道结构对微通道内速度分布、压力分布的影响。结果显示,通断通道的整体压降比连续通道增加了17%,当微通道内的雷诺数1 500时,微通道内单相流动达到了旺盛湍流,宽高比对压降的影响消失。通断通道结构下的流动转捩雷诺数600～800之间,比常规尺度下的转捩雷诺数低得多(2 300左右)。通过通道数对流动性能的研究发现,增加通道数,有利于降低整体压降并增加流动稳定性。     

变物性对微通道内流动与传热的影响

分别采用入口物性、平均物性和变物性对Dh=0.333 mm、Re=101～1775的矩形微通道内层流流动与传热进行了三维流固耦合数值模拟.将不同方法下局部和平均流动与传热特性的计算结果与新近文献中的实验结果、常见关联式及近似理论解进行了对比分析.结果表明,与入口物性法相比,平均物性和变物性法均获得明显较低的fapp和较高的hz和Nuz.与平均物性法相比,变物性法在通道起始段具有更高的fapp Reave和较低的hz,而在后段具有较低的fapp Reave和较高的hz.Nuave的计算结果与Sieder-Tate关联式吻合良好,表明传统的宏观数学模型能够正确用于预测本文尺度和Re范围内微通道内的流动与传热特性.     

垂直矩形通道内混合对流的实验研究

通过实验研究了内置均匀加热板的垂直矩形通道入口段混合对流换热的温度场和阻力特性。实验分别针对同向流动和反向流动两种情况进行了研究,其中Re=329-5565,Gr=9．7×105-7．7×106。通过实验得到了矩形通道内混和对流换热的总体平均Nusselt数和压力损失的变化规律。实验表明固体壁面的导热对总体换热具有非常重要的作用。平均Nusselt数随Re的增加而增加; Re<1000时反向流动的Nusselt数大于同向流动时Nusselt数,Re>1800时二者相差很小。压力损失与Re近似为乘幂关系,且随热流密度变化很小。     

微通道中液氮单相流动和换热实验研究

对直径为0.531,0.834,1.042和1.931 mm的圆形微通道内液氮的单相流动和传热进行了实验研究.在10,000～90,000的高雷诺数范围内,测量了流动摩擦系数、局部和平均对流换热系数.结果表明,流动摩擦系数随微通道壁面粗糙度的增加而变大.微通道中局部对流换热系数受到液氮导热系数变化的影响沿管程逐渐下降约12.5%.传统的Gnielinski换热关联式经过流动摩擦系数的修正后与实验换热系数符合较好.     

建立微尺度蒸发冷凝的通用准则

蒸发冷却模式以及微换热器,是最具有潜力的冷却高热流密度电子器件的方法之一。总结和研究微尺度蒸发冷凝相变机理,是本文研究目的。我们在参阅大量文献和提取大量精确数据的基础上,发现了新的区分常规通道与微通道的临界准则Bo×Re1^0.5=200;在此基础上,我们归纳出了新的预测微通道压降、传热系数和临界热流量的关联式,与以前...     

梯形平行流换热器流量均布性模拟研究

运用数值模拟的方法,通过改变入口Re数分析U型和Z型两种不同进出口结构的梯形微通道换热器。研究表明:随着入口速度的增加,两种结构的总流量分配不均匀度变大,Z型结构梯形微通道换热器的不均匀度增加了约89.7%,U型结构梯形微通道换热器不均匀度增加了约87.7%,U型结构梯形微通道整体不均匀性比Z型结构梯形微通道不均匀性增加了12%-31%。入口速度较低时,两种结构梯形微通道的进出口压降比较接近,随着入口速度的增加,U型结构的进出口压降逐渐大于Z型。     

涡轮叶片前缘阵列冲击冷却流动及传热特性数值研究

本文采用SST湍流模型模拟了类前缘通道内蒸汽射流阵列冲击冷却的流动与传热特性,分析了雷诺数(Re=10000~50000)、孔径比(d/H=0.5~0.9)和孔间距比(S/H=2~6)对流动及传热性能的影响规律,得到了相应的传热和摩擦关联式。结果表明:在不同雷诺数下,d/H从0.5到0.9变化时,通道压力损失系数降低了76%~79%,靶面平均努塞尔数降低了45%~49%;S/H从2增至6时,通道压力损失系数增加了1.64~1.92倍,靶面平均努塞尔数增加了54%~64%;增大d/H、减小S/H可有效提高类前缘通道蒸汽冲击冷却的综合热力系数。本文研究结果可为未来先进燃气轮机高温涡轮叶片蒸汽冷却结构的设计提供参考和借鉴。     

HFE-7100平行微通道流动沸腾实验

微通道流动沸腾冷却技术兼具相变潜热和微尺度效应的诸多优点,是解决微电子器件热致失效问题的重要方法之一. HFE-7100是一种安全环保的电子氟化液,特别适用于微电子器件的冷却.本文在水力直径为0.5 mm的矩形平行微通道内,对HFE-7100的流动沸腾传热和两相流动特性进行了实验研究,测量范围为常压下质量流率88.9—277.8 kg·m^–2·s^–1、入口过冷度20.5—35.5℃和有效热流密度12—279 kW·m^–2.本文分析了质量流率、入口过冷度、有效热流密度和干度对传热系数和压降的影响,发现在较低的入口过冷度下HFE-7100出现了沸腾迟滞现象,且增大入口过冷度和质量流率会延缓沸腾起始点的发生,且会提高传热系数和临界热流密度.两相压降受有效热流密度影响较大,且在定干度下不同质量流率的两相压降在塞状流和环状流阶段有明显差异.同时,通过观测两相流型,对流动沸腾传热现象进行了分析.本文还将两相压降实验数据与文献关联式预测值进行了对比,与Lockhart提出的关联式预测值偏差为19.6%.本文研究结果可为微电子器件散热设...     

入口有限制的硅微通道沸腾换热特性

本文在8根水力直径均为186ìm的硅微平行通道的入口端加工了限制装置,抑制了通道间的相互作用,得到了稳定的气液两相流动,并借助于可视化技术,揭示了通道内部不同区段典型的流型特点.分析了经过通道的压降和局部换热系数的变化规律,并用经验关系式和试验结果进行了比较.     

微通道内气体流动的DSMC方法

基于压力边界条件开展了微尺度低速流动DSMC方法的研究, 定义了两个无量纲参数作为微尺度DSMC方法下网格尺寸与时间步长的约束条件, 通过微尺度Poiseuille流进行了方法的验证与比较, 获得了网格尺寸与时间步长的一般原则。在此基础上, 对变截面的单孔和双孔模型的微通道气体流动进行DSMC模拟, 结果表明, 通道几何形状对微尺度气体流动具有显著影响, 孔口后由于通道收缩, 产生压降, 导致气流加速, 并在孔口下游拐角处发生分离; 双孔口模型的流动结构与单孔口模型相似, 且在相同压差情况下, 经双孔口后的气体流速低于经单孔口后的气体流速; 随着入口压力的增加, 经过孔口压缩后的速度越大, 分离区尺寸也越大。      

二极管激光器阵列微通道冷却实验研究

针对某二极管激光器阵列现有冷却器的实际问题,设计并制作了一种铜基液冷微通道冷却器.采用细密的短微通道来代替原来较宽的长通道,大幅度提高了有限空间内的对流换热面积,并可充分利用入口效应来增强换热,从而在保持较低流动阻力、较高流体流量和较低流体温升的前提下,显著提高了冷却器整体冷却能力,并改善了冷却器与热源器件界面上的温度分布均匀性.在本实验最大流量G=70 mL/s情况下,微通道部分的压降只有10.3 kPa;当冷却器与热源器件界面上的平均温升为25.7 K时,冷却器的散热能力可达730 W,相当于128.5 W/cm2的界面热流密度.实验结果还验证了Shah和London提出的表观阻力系数关联式、用于预测平均努谢尔数的Sieder-Tate关联式以及Shah&London关联式.     

微通道内超临界二氧化碳的压降与传热特性

进行了微通道内超临界CO2的局部和平均传热与压降特性实验研究。结果表明,临界点附近物性参数的剧烈变 化使压降增大,但传热被大大强化。同时也发现,系统压力、质量流速及CO2温度对流动与传热特性有重要影响。在大 量实验数据的基础上,得出了冷却条件下水平微通道内超临界CO2强制对流换热关联式。     

微通道内沸腾流动与传热特性耦合机理研究

以水为工质，模拟研究不同条件下水平矩形微通道沸腾流动过程中气泡发生发展及流型演变与温度、压力、传热系数的耦合关系。结果表明：持续吸热的弹状流会占据通道大部分流动区域，易造成堵塞和局部高温；泡状流区域压力波动幅度较小，较长弹状气泡和大雷诺数均会导致较大的局部压降；升高热流密度减小了单相区长度，强化了核态沸腾，提高了通道整体传热性能；增大雷诺数使得通道内气泡尺寸减小，减少了两相流动的不稳定与堵塞现象，通道整体传热性能得以提升。     

脉动流动强化换热的数值研究

对脉动流动强化凸块散热进行了数值研究,讨论了雷诺数Re,斯德鲁哈尔数St,脉动振幅A等参数对凸块散热性能和通道中压力损失的影响。数值结果表明,脉动流动加强了流体的扰动和掺混作用,增强了流体的传热能力,进而强化了凸块的散热。凸块散热的强化效果随着Re数和A的增大而增大,并且对于该模型存在最佳的St数。另外,通道中瞬时压力损失满足正弦规律变化,其周期平均的压力损失与稳态时差异不大。     

细小圆管内液体流动特性实验研究

本文实验研究了去离子水在直径为 1.0～2.0 mm 的细小圆管中的流动阻力特性.通过比较相同直径、不同管长的压差,获得了摩擦因子及局部损失系数随 Re 数变化关系.本文实验条件下,对于不同直径的细小圆管,沿程压降及局部压降随流速变化趋势一致;随着管径减小,摩擦因子也减小,且在层流区和湍流区内均要比常规尺度条件下的小;对于不同直径的细小圆管,局部损失系数随 Re 数变化趋势基本一致,当 Re 数相同时,管径越小,对应的局部损失系数越大;对于直径为 1.0～2.0 mm 的细小圆管,临界雷诺数 Rec=2050～2300.     

分流式微通道换热器的结构设计和性能优化

为满足电子电路、燃料电池、激光器等精密仪器及器件的持续高效散热需求,本文设计了一种基于冲击流动的分流式正弦型微通道换热器,传热效率更高,压降损失更小,加工工艺更简单。本研究主要通过热–流–固耦合的数值模拟方法,对比了微通道宽度、深度、形状及分流结构对换热器传热和流动特性的影响。模拟结果表明：带有8个分流通道的分流式正弦型微通道换热器的综合性能最好,微通道长、宽、深尺寸为30 mm×0.4 mm×2.5 mm,在冷却液流量为0.6 mL·s^-1时,总热阻为0.247^?C·W^-1。在实际工作中,换热器总热阻为0.395?C·W^-1,压降损失也较小,所得实验结果与模拟结果基本吻合,相比于预设计的换热器和大通道换热器,优化后的正弦型微通道换热器在传热和流动性能方面均获得了显著提升。     

内螺纹管两相流冷凝压降的理论分析

为研究理论模型关联式对内螺纹管内流体冷凝压降的预测效果,本文首先对管内压降产生机制、理论模型拟合机理进行了阐述,而后基于4种内螺纹管内R1234yf流动冷凝压降实验数据,对所选的5个分相模型关联式、2个均相模型关联式的预测效果进行了校核。校核结果显示:由于关联式对管内流体流动机制的假设工况与流体实际流动工况相近,文献[12]、[13]提出的关联式对管内压降表现出较好的预测效果,而文献[8]、[15]基于人字齿管压降数据拟合的关联式均不适用于管内压降的预测,此外,文献[16]、[18]提出的均相模型关联式对管内压降的预测误差虽不大,但预测精度受肋片结构的影响较大。     

硅基内肋阵列微通道内的流动和换热特性

制作了四种带有圆柱形内肋阵列的硅基微通道,以去离子水为工质对其内部流动和换热特性进行了实验研究,并与平直微通道进行了对比,分析了内肋阵列微通道中流动阻力提升和强化换热的机理。研究表明;内肋阵列带来较大阻力的同时也极大地改善了换热;流体流经内肋阵列微通道时,其阻力在低Re数下主要来自壁面效应产生的摩擦阻力,高Re数下则受绕肋产生尾涡的影响较大;不同内肋布置方式对流体流动和换热影响显著,叉排布置比顺排布置的内肋阵列微通道具有更大的摩擦因子和换热系数,且增大垂直于流动方向内肋密度更有利于增强换热;内肋排列最为紧密的微通道#2综合换热性能最好,相同泵功下,其换热热阻相对于平直微通道降低了53.4%。     

入口节流微通道换热器内相变传热特性

设计加工一种带有入口节流结构的铜基微通道换热器,理论分析其传热模型、实验测量微通道换热器内相变换热的传热特性和压力特性。结果表明:换热器内部的热传递过程为其主要换热模式;换热器表面温度随加热热流密度的增大而增大;微通道入口流速对表面温度影响较小;入口工质过冷度线性影响换热器的表面温度。热流密度在不同阶段对换热系数有不同影响,热流密度为360 W/cm~2时,换热器换热系数出现最大值;换热器压降随热流密度和系统流速的增加而增大。     

周期性锯齿型通道内流动和换热研究

用非稳态层流模型对锯齿型通道内周期性充分发展流动与换热进行了数值模拟．Re=600时数值结果已发生明显振荡,而从入口段算起的第9、10个几何周期的平均Nu数与用周期性充分发展条件计算得到的平均Nu数吻合良好;在此基础上,计算通道周期长度L与通道垂直高度b的比值及通道倾角α等几何结构尺寸对周期性充分发展流动和换热的影响,计算结果表明,增大α和减小L／b都易促使流动产生涡旋,从而增强换热．