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.     

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%。     

合成双射流与小型复合结构翅片组合散热参数影响

为了保证电子设备能有足够长的工作寿命并可以在高热流下安全运行, 必须可靠而经济地解决高温设备的散热冷却问题. 为解决狭小空间板翅式翅片强化换热能力有限的问题, 基于纵向涡强化换热理论, 提出了合成双射流与表面微凸起复合结构翅组合散热方法. 利用Fluent数值模拟软件对合成双射流作用下的复合结构翅片内部气体流动特性及其强化换热特性进行了研究. 仿真结果表明表面微凸起复合结构翅片的肋片附近Y方向涡量是传统光滑肋片的2倍以上, 换热性能增加10%. 合成双射流驱动频率在500 Hz时, 具有均匀的温度分布以及更好的散热效果; 合成双射流峰值速度下散热效率更好.      

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。     

阵列空气射流传热均匀性问题的数值研究

针对用于飞行器地面降温模拟试验的喷嘴阵列空气射流的传热均匀性问题,开展了数值模拟研究,用以指导相关降温试验装置的设计和试验方案的制定。首先,对降温试验装置建立了相关模型,通过对比发现SST k-ω湍流模型适用于阵列空气射流冷却模拟;进而分别研究了喷嘴数量、喷嘴高度等因素对阵列空气射流传热均匀性的影响规律,分析了其中的原因,并通过正交实验获得了研究范围内传热均匀性最优的参数匹配方案,数值计算出相应的表面对流传热系数h的变异系数为0.201;最后,研究了空气横流对阵列空气射流传热均匀性的影响。发现在最优结构参数下,通过添加挡板将最小横向流动形式改为中等横向流动形式后,试件表面的对流换热系数h变异系数减小了39.7%,试件局部表面传热均匀性得到了大幅的提高。     

混合板式换热器板通道的数值模拟研究

本文采用二维非稳态数学模型、周期性充分发展边界条件对混合板式换热器中的板通道内的流动和换热进行数值模拟。在Re=4407～22035工况范围内,计算了半圆型、半椭圆Ⅰ型和半椭圆Ⅱ型三种不同纵截面形状波纹板通道内的流动和换热性能。数值模拟结果分析表明,波纹通道内的流动会因为流体从凸面流向凹面时产生回流而形成涡,即产生扰动,强化了后面的换热,但同时增大了阻力。并得出半圆型通道换热最强,Nu为椭圆Ⅱ型的1.4倍;但其阻力最大,压降为椭圆Ⅱ型的1.9倍。     

不同纳米流体在微通道内的流动传热特性研究

采用数值模拟的方法研究了不同工质在微通道内流动传热特性的差异。对比了去离子水、纳米流体Al₂O₃/Water、CuO/Water、TiO₂/Water、Cu/Water等工质在微通道内的流动传热特性,并研究了纳米颗粒的浓度对流动换热特性的影响。结果表明：CuO/Water作为冷却工质时的对流换热系数比水增加了9.6%,微通道底面平均温度降低了2.6 K,换热性能明显优于其他几种纳米流体。由于纳米颗粒的加入,纳米流体的粘度比水大,进出口的压降比水大。纳米颗粒的体积分数越大,对流换热系数越大,纳米流体在微通道内的换热性能越好。     

微射流阵列冲击恒热流壁面换热数值模拟

微射流冲击作为一种高热流冷却技术,在大功率激光器、微电子芯片等微型高热流器件冷却方面有广阔应用前景.本文对微射流阵列冲击恒热流表面的换热情况进行数值模拟,详细分析了微射流阵列的换热特点,对比了射流孔顺排和叉排方式的冷却性能,得出射流入口雷诺数、射流孔间距、射流高度等因素对冷却特性的影响规律.     

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.     

Study on Heat Transfer Performance of Skin Heat Exchanger

Cooling technology is facing new challenges with the increase of electronic equipment power onboard aircraft. The traditional heat sink based on high-altitude bleed air does not satisfy this increase of cooling demands. In this article, an air/air-type skin heat exchanger is studied for cooling aircraft electronic equipment. It uses outside high-altitude cold air rather than bleed air as a heat sink. This cooling technology can effectively remove the heat load of high-power electronic devices without greatly increasing aircraft performance penalty. To assess its high-altitude heat transfer performance, an experimental prototype was designed and made. Some experiments were conducted on a ground experimental test. The heat transfer criteria formulas were obtained for both the side air in the skin heat exchanger and its convective heat transfer coefficients. Based on these experimental analyses, the heat transfer performances of the skin heat exchanger in a high-altitude cruise condition are deduced when it is assumed to be installed at an unfavorable position and a favorable position, separately. This work tries to provide a technical support for its future onboard application.     

A Three-Terminal Quantum Well Heat Engine with Heat Leakage

We propose a model for a three-terminal quantum well heat engine with heat leakage. According to the Landauer formula, the expressions for the charge current, the heat current, the power output and the efficiency are derived in the linear-response regime. The curves of the power output and the efficiency versus the positions of energy levels and the bias voltage are plotted by numerical calculation. Moreover, we obtain the maximum power output and the corresponding efficiency, and analyze the influence of the heat leakage factor, the positions of energy levels and the bias voltage on these performance parameters.     

Noncommutative Heat Kernel

Schrödinger operators on Sobolev spaces are considered as new solvable models with point interactions. A simple formula for the deficiency indices of a minimal Schrödinger operator with point interactions is given. Examples of point interactions on the space W₂¹( ³) are constructed.Mathematical Subject Classification (2000). 37J10, 47A10     

Heat Conduction Networks

We study networks of interacting oscillators, driven at the boundary by heat baths at possibly different temperatures. A set of first elementary questions are discussed concerning the uniqueness of a stationary possibly Gibbsian density and the nature of the entropy production and the local heat currents. We also derive a Carnot efficiency relation for the work that can be extracted from the heat engine.     

热交换器表面镀层对传热性能的影响

采用化学镀的方法对热交换器表面进行表面改性,使其换热表面沉积一层表面能不同的均匀镀层。传热实验表明,随着磷含量的增大,凝结传热系数增大。进一步可视化实验研究表明,镀层换热表面均表现为珠膜共存状态,增大镀层的磷含量,换热表面促进珠状凝结的效果更加明显。这归于镀层降低了传热表面的表面能值。     

分离式热管换热器传热特性的实验研究

本文在自行设计分离式热管实验装置的基础上,对其传热特性进行了实验研究。其工作温度为170～250℃,热流密度为25～50 kW/m~2。蒸发段和冷凝段构成相同,均是由7根直径30 mm的无缝钢管短管束组成,管长为160 mm,带有紧套的钢帛环形肋片结构尺寸为:外径45 mm、厚1 mm、片间距4 mm。实验结果表明,在本实验条件下,分离式热管的最佳充液率按管束总容量计为18%～38%。根据实验结果拟合了最佳充液率(24%)下蒸发段内部平均沸腾换热系数和冷凝段内部凝结换热努塞尔数综合关系式。     

图解热传导

在热传导过程中,高温物体放热,低温物体吸热,在不计热损失时,高温物体放出的热量等于低温物体吸收的热量,高温物体放热降温,低温物体吸热升温,当高温物体的温度和低温物体的温度相等时热传导停止.     

二维变几何域下的表面热流反演

采用共轭梯度法,给出二维变几何域下的热流反演算法,并对算法的有效性和稳定性进行验证.结果显示:测点数目对反演结果有较大影响,测点数目的选取和热流的空间变化剧烈程度有关;反演初值的选取对反演结果,尤其是末时段,会有较大影响,应尽可能选择传热过程末时刻热流作为反演初值.     

Flow Boiling Heat Transfer in Micro-Channel Heat Sinks under Sub-Atmospheric Pressures

A closed-loop two-phase mini-channel-based heat sink driven by a micro-gear pump was developed in this work. Using water as an example, experiments were performed in two micro-channel heat sinks under the conditions of initial pressure of P_in = 34–113 kPa, mass velocity of G = 19–468 kg/m₂s, outlet quality of x_e,out = ?14–66%, and heat flux of q″ = 0–230 W/cm², which covered single-phase flow, subcooled flow boiling, and saturated flow boiling regions. The results showed distinctive differences between the subcooled and saturated boiling regime and revealed that the influence of the system pressure. The experimental data were also compared to a boiling mechanism demarcation map and assessed against some empirical correlations, which suggests some uniqueness of the current heat sink associated with flow boiling at the mesoscale.     

低品位烟气余热回收换热器热力学分析

低品位烟气余热回收过程存在冷凝现象,烟气的放热过程分为显热、潜热两部分。冷凝时,局部热流率和熵产率明显增大;增加水蒸气质量分数、冷却水质量流量和降低烟气入口温度都会导致烟气提前冷凝;存在最优冷却水质量流量使得热回收过程熵产数最小。另外,提出热回收效率评价烟气热回收程度,该指标受冷凝的影响很大。随着烟气中蒸汽质量分数的增加,冷凝过程的影响明显增强,因此,在低品位烟气的全热回收中必须考虑潜热的影响。