带扰流小槽道内单相流动阻力特性实验

采用水作为工质,实验研究入口或出口端加入圆柱扰流的不同高宽比多槽道散热器的压降特性;结果表明:单位长度压降随雷诺数成线性关系.提出了雷诺数、水力学直径和槽道高宽比的拟合准则;拟合公式在实验数据误差范围内很好反应类似系统的流阻特性.对于线切割小槽道,其摩阻系数和雷诺数成反比,且较圆管理论值偏大;对线切割槽道阻力特性分析发现,表面粗糙度是其最主要的影响因素,而扰流对其影响较小;在槽道前部设置扰流柱可以增强换热.

多孔介质填充的小槽道散热器性能研究

为提高散热效率,设计了小槽道内填充泡沫铜的多孔介质散热器.通过对散热表面温度,冷却工质流量,进出口温差、压降的测量,分析热流密度-Nu数,热阻-压降等关系,评价散热器性能.结果表明,流量为2.77 g/s时散热器平均体积散热率高达250 W/mm3.通过与Zhang给出的热阻-压降关系比较,发现本文提出的散热器大流量时不仅降低功耗,还能减小热阻.此外,数值模拟发现多孔介质使流场温度更均匀.

小槽道表面活性剂湍流减阻及流变特性的实验研究

深入理解表面活性剂减阻机理对于流体管道输送的减阻节能具有重要意义。为了理解表面活性剂湍流减阻特性和减阻机理,本文基于断面尺寸为10 mm×150 mm的二维有机玻璃槽道,对CTAC/Nasal表面活性剂湍流减阻开展了实验测试,并利用MCR302流变仪测试了减阻溶液的流变特性。研究表明,最高减阻率、临界减阻雷诺数、减阻雷诺数范围与减阻溶液的浓度密切相关,但它们之间并非线性关系;剪切作用对表面活性剂胶束剪切诱导结构(即网状胶束结构)的形成和破坏能够很好的诠释表面活性剂减阻机理。

液体通流微小槽道内气泡动力学行为模拟

采用VOF方法,对液体通流微小通道内壁面逸出气泡的形成、生长及脱离运动进行了数值模拟,并讨论了壁面浸润性、液体流速、气体流速对气泡动力学行为的影响。结果表明:气泡生长壁面亲水性增强有利于其从壁面脱离;气泡生长壁面气相覆盖率随壁面接触角的增大而增大;流动阻力因子随壁面接触角的增大而减小。较高的液体流速会导致气泡的脱离时间和脱离体积、壁面气相覆盖率及流动阻力因子减小;而较高的气体逸出速率(气相Reynolds数高于14时)对气泡脱离体积、壁面气相覆盖率和流动阻力因子影响不大。

大高宽比小槽道冷却大功率激光器的实验研究

针对大功率激光器散热需求,设计了大高宽比小槽道散热器,并用去离子水为工作介质对其换热性能进行实验研究。结果表明,当散热面温度为70℃,流量为58.2 L/h时,3 mm高槽道散热器散热能力达3×106W/m2;当流量一定时,不同高度的槽道散热器的表面温度和散热量成线性关系,但槽道高度存在最佳值;研究给出了槽道换热的努塞尔数(Nu)与雷诺数(Re)、槽道高宽比、槽道长径比和普朗特数(Pr)经验关系式,能较好反映该类散热器散热特性;槽道散热器的平均热阻随流速增加而降低,还与槽道高度有关;槽道散热器存在最佳流速和最佳高度。

泡沫铜填充曲折槽道散热器内对流换热研究

设计了高孔隙率泡沫金属铜填充的曲折槽道散热器,采用去离子水为工作介质,实验研究了单相对流换热时散热器的压降、散热量、热阻等特性。结果表明,流体流过槽道时压降和流速成二次多项式关系;随着受热表面温度升高,散热量变大,热阻减小并趋于定值。相同雷诺数时,Nu数随着表面温度的升高而增大;综合评价散热器的性能发现,该换热器在相同压降时热阻要低于微槽道散热器和平板多孔介质散热器。

水基石墨烯纳米流体在矩形小槽道内的流动换热特性

测试了水基石墨烯纳米流体的部分热物性,研究了不同浓度、雷诺数(Re)和加热功率条件下水基石墨烯纳米流体作为换热工质在设计的矩形结构小槽道内的对流换热性能。结果表明,层流状态(Re=500～2000)下,矩形槽道壁面温度随Re增大逐渐降低,随加热功率增大逐渐升高,与常规流体换热特性一致;在相同Re和换热功率条件下,随纳米流体浓度增大,壁温逐渐减小;水基石墨烯纳米流体的换热强度比基液去离子水提升较大,Re=2000、加热功率为210W时,浓度为0.03wt%的水基石墨烯纳米流体的平均努塞尔数(Nu)为9.3,比基液水提升48.8%;受入口效应影响,沿槽道长度局部对流换热系数逐渐减小,最高可达25674.5 [W/(m2·℃)],较基液水最大可提高39.1%;Re=500～1 400时,石墨烯纳米流体的流动换热强度随Re增大明显增强;由实验数据结合理论模型拟合了适用于石墨烯纳米流体对流换热强度的计算式,计算结果与实验结果最大相对误差不超过25%,平均相对误差仅为4.8%。

粗糙度对大高宽比槽道内流动影响的数值模拟

基于确定表面粗糙结构形状的PML模型模拟表面粗糙度对大高宽比小槽道内流动特性的影响,并与3-D模拟结果对比,结果较为一致.基于该模型对不同的流速和不同的粗糙度进行模拟,结果表明:表面粗糙度导致槽道内出现速度线性分布的流动底层.Re数相同时,单位长度压降与相对粗糙度成二次方关系.粗糙单元高度相同时,压降随Re线性增加.

微小通道内气泡逸出行为的VOF模拟

针对微小型直接甲醇燃料电池阳极流场,采用VOF(volume of fluid)方法模拟了液体通流微小通道内壁面逸出气泡的动态行为,讨论了液体物性、气体流速、逸出气孔直径对气泡形成、生长及脱离等过程以及流动阻力的影响。结果表明:随着甲醇溶液浓度的升高,单个气泡的脱离体积、脱离时间和流动阻力系数均减小;气体流速增加,气泡的脱离体积和流动阻力系数增大,但气泡的脱离时间减小;在一定气体流速下,气泡的脱离时间随着气体逸出孔径的增大而减小,但气泡的脱离体积和流动阻力系数却随之增加。

微反应器流道内单气泡逸出动力学模拟

采用VOF方法,对不同流道结构下液体通流微小通道内壁面逸出气泡的形成、生长及脱离运动进行了数值模拟,讨论了槽道高宽比对气泡动力学行为的影响。结果表明:流道截面积不变时,气泡的脱离体积、脱离时间随槽道高宽比的减小呈现先增大,后减小的趋势,当高宽比为2时,气泡的脱离体积、脱离时间、槽道容积含气率和流动阻力因子均达到最大值。

进出口方式对槽道流体分配和换热的影响

针对平行小槽道的流量分配问题,设计了不同的进出口方式,并采用数值方法研究其对槽道散热器内流量分配和换热特性的影响。结果表明,进出口方式对槽道散热器内流量分配特性影响很大;提出流量和换热不均匀系数来评价进出口方式的影响,发现相同进出口方式下,流量不均匀系数随着流量的增大而增大;当槽道散热器流量相同时,顶部中间(UC)进出口形式的散热器内流量不均匀系数最小;当槽道面积一定时,流量不均匀系数随槽道个数增加而减小;流量一定时,槽道的表面温度不平均系数随加热功率的上升而增加;加热功率一定时,热阻随着流量的增加逐渐减小并趋于定值。

小尺寸矩形槽道内气泡生长及运动特性

通过实验研究了液体流动条件下小尺寸矩形槽道底部由微孔注入的气泡生长及运动特性。结合RCD算法与形心提取算法,有效地跟踪了气泡生长及运动轨迹。实验结果表明:气泡的形成过程可分为生长和涌入两个阶段;随着气体流量的增大,后续小气泡的涌入加强,涌入持续时间更长,气泡形成时间增加,等待时间缩短;槽道中小气泡的堆积现象随气体流量的增大而愈加明显。

进口扰流对槽道散热器换热特性的影响

在小槽道散热器入口处安置扰流圆柱,实验研究去离子水流过不同高宽比小槽道散热器的散热性能。结果表明,换热性能随着流量的增加而增强。流量为58.2 L/h,散热面温度为81.7℃时,带扰流的4 mm高度槽道具有3.2×106W/m2的散热能力;小流量时,扰流对换热的影响较小;随着流量的增加,扰流对换热的影响逐渐增强;带扰流的槽道在不同的流速下存在着不同的最佳高度值,对于相同的槽道其扰流对散热的影响与单位槽道的流量有关。拟合了努塞尔(Nu)数与进口段无量纲加热长度、槽肋比和扰流直径与槽高比的换热关系式,能较好反映类似散热器的散热性能。