蛇形微通道内绝热和沸腾流动气液两相压降的实验研究

蛇形微通道因结构紧凑和换热能力强的特点在高新技术领域中具有较大的研究价值,目前对微细尺度蛇形通道内全流型演变过程中的压降研究分析相对较少。通过实验的方法研究了当量直径为0.65 mm和弯管段曲率半径为1.2、1.8、2.4 mm的蛇形微通道内绝热流动和沸腾流动气液两相压降变化规律。根据实验计算了质量流速为600 kg/(m^(2)·s)时压降的占比情况,分析了质量流速为600、1200、1800、2400 kg/(m^(2)·s)时压降的变化情况,并与文献中压降经验关联式进行对比,发现文献中大部分已有关联式并不适用于蛇形微通道内气液两相流型的预测。

LNG在微小通道中沸腾流动与换热特性的数值研究

针对LNG在亚临界状态下的工作要求,利用VOF多相流模型对LNG在1 mm、1.5 mm、2 mm和2.5 mm共4种直径微小通道内的沸腾流动与换热特性进行研究,操作压力为0.1 MPa,热通量为40.9~385.4 kW/m^(2),质量通量为110~600 kg/m^(2)·s。研究结果表明:在直径为1.5 mm、2 mm和2.5 mm的微小通道中,观察到了泡状流、弹状流、波状-环状流、过渡流和雾状流5种流型,而对于直径为1 mm的通道,没有观察到弹状流和过渡流,却出现了受限泡状流和柱塞流,且发现流型随通道直径的减小而转变加快,不同管径中的流型种类以及所占通道比例不同。当通道直径由2.5 mm减小到1 mm时,在波状-环状流区域对流换热系数提高了24.6%,但压降增加了50.1%。当质量通量增加到600 kg/m^(2)·s,对流换热系数提高了22.6%,压降增加了55.8%。

垂直U型管内沸腾流动不稳定性的研究

本文从实验和理论两个方面,研究了垂直U型管内沸腾氟里昂113的稳态特性和压降型不稳定性.实验过程中记录了稳态及脉动参数.对压降型不稳定性的理论分析采用了均相模型.并研制了求解稳态与脉动的计算机程序.

竖直圆管内液氮流动沸腾流动压降的分析

文中对竖直圆管内液氮流动沸腾压降进行实验研究,分析热流密度、质量流量对液氮两相流动摩擦压降的影响以及热流密度对测试段总压降的影响。在本实验工况范围内,两相流摩擦压降随着热流密度和质量流速的增加而变大,且测试段总压降随着热流密度的增加而降低。分别利用均相模型、L-M模型和Chisholm B系数模型对实验结果进行预测,并比较了预测值与实验值,结果表明本实验工况下均相模型预测效果最好。

摇摆运动对强迫循环沸腾流动特性的影响

对摇摆状态下的强迫循环沸腾流动特性进行实验研究。研究结果表明,当出口含气率达到一定值后,由于摇摆状态下的实验系统空间位置发生变化导致回路局部出现周期性的汽泡雍塞,诱发两相质量流速出现类似流动不稳定性的波动。流动的稳定边界主要受质量流速、入口压力、入口过冷度、摇摆角度及摇摆周期的影响。随着质量流速增大,摇摆参数的影响逐渐减小;系统压力、入口过冷度及质量流速越大,系统越稳定。

管束间狭窄通道单相及沸腾流动传热实验关联式

以R113为工质,对不同当量直径管束通道内的流动传热特性进行了实验研究.在对单相强制对流实验数据与Sieder-Tate、Dittus-Boelter和Gnielinski公式的计算结果进行比较的基础上,得出了适合管束间狭窄通道的单相强制对流传热关联式;通过分析管束间狭窄通道中流动沸腾的传热特性,得到了可用于该通道的流动沸腾传热实验关联式,且计算值与实验值吻合较好.

R513A在不同肋结构水平管内的流动沸腾换热性能

全球变暖日趋严重,新型环保型制冷剂研究迫在眉睫,制冷行业需要对现有的制冷剂工质进行替换并进一步强化换热器的传热效率。本文在不同肋结构的水平管内进行R513A的流动沸腾实验研究,探究了不同肋结构、质量流速[300~500kg/(m^(2)·s)]、蒸发温度(5~10℃)对传热系数及压降变化的机理。结果表明,R513A在内螺纹管的管内沸腾传热系数相比光管有23%~120%的提高,但其在内螺纹管内的压降均高于光管;对比肋结构对换热的影响,发现较大的螺旋角可以加剧管内二次流的产生,较大的齿条数可以增加沸腾传热的有效传热面积,使得换热增强;R513A沸腾传热系数和压降随着质量流速的增大而增大;随着蒸发温度升高,沸腾传热系数增大,而压降减小;通过比较单位压降传热系数可知4#螺纹管综合换热性能最优,肋结构参数对内螺纹管综合性能的影响集中在低、中干度区域,在高干度区域影响较小。在本实验工况下,Kaew-on关联式和Chisholm关联式分别对R513A在光管内传热系数和压降的预测精度最高,平均相对误差分别为-4.74%和7%;Yu关联式和Miller-Steinhagen关联式分别对内螺纹管内传热系数和压降的预测效果更好,平均相对误差分别为14.16%和3.66%。

竖直互连小通道内流动沸腾传热强化机理分析

为推动流动沸腾技术在燃料电池散热领域的应用,该文以R141b为工质,对不同流速下的并联直通道及互连小通道内流动沸腾情况进行三维瞬态数值模拟。利用换热系数、基底温度及综合换热因子等参数对比各结构的换热性能,并探究互连小通道的换热强化机理。研究表明:换热趋势随气泡行为呈周期性变化,气泡脱离时的换热效果最佳;由连通口引发的二次流促进热量传递与壁温升高,使通道可提前2 ms满足成核条件,且气泡在10^(-4) m/s以上的二次流速作用下率先脱离;五连通通道的换热系数较并联直通道可提升19.6%~23.3%,继续增加连通口数,换热系数的相对增长率均不足3.5%;涡结构使压降随连通口数增加而增大,且增势并不减弱,八连通通道的压降较并联直通道增加29.5%~42%。可见,二次流在影响气泡行为、强化换热的同时也带来压力损失,综合换热性能与连通口数目不成正相关。

针状电极作用下相分离结构逆流微细通道流动沸腾传热性能

为研究针状电极与相分离结构强化技术组合作用下微细通道流动沸腾传热性能,该研究提出了一种平行逆流微细通道热沉,针对顺流和逆流微细通道,通过高低压切换实现气相分离。以乙醇为试验工质,改性聚偏二氟乙烯多孔疏液膜(polyvinylidene fluoride,PVDF)作为气液相分离工具,在入口过冷度为10℃,有效热流密度范围为48.08~87.29 kW/m^(2)工况下开展流动沸腾试验,引入饱和沸腾传热系数传热强化因子(Fht)研究不同相分离结构孔数(4孔PSS-1、6孔PSS-2、10孔PSS-3)(phase separation structure,PSS)和不同电场强度(200、400、600 V)组合作用下的微细通道沸腾强化传热特性规律和机理。研究结果表明,在相同工况下,与普通微细通道(无相分离结构0孔PSS-0和无电场)相比,单独相分离结构和单独针状电极作用下微细通道的传热性能均得到有效提高,10孔相分离结构和600 V电场强度分别作用时的最大Fht为1.14和1.20,相分离结构和针状电极组合作用下微细通道传热性能得到进一步提升,10孔和600 V电场强度组合条件下的最大Fht为1.29,结果表明相分离结构和针状电极2种强化技术存在一定的协同效果。研究结果为微尺度复合强化沸腾传热技术提供参考。

相分离结构与电场协同作用下微细通道流动沸腾传热

为研究相分离结构与电场协同作用下微细通道内流动沸腾传热特性,以质量分数为30%的甘油水溶液为试验工质,在入口温度为70℃、质量流率为121.25 kg·m^(-2)·s^(-1)、热流密度为90.31~151.23 k W·m^(-2)的工况下,针对0、800、1 600 V不均匀电场,在截面为2 mm×2 mm的不同相分离结构逆流微细通道内开展流动沸腾试验,研究不同电场和不同相分离结构协同作用下微细通道内局部饱和沸腾传热系数及影响规律,结合可视化结果分析相分离结构与电场协同作用下受限气泡长径比变化以及强化机理。利用平均传热综合性能评价指标评估相分离结构与电场协同作用下微细通道的传热综合性能。结果表明,相较于无电场无相分离结构,相分离结构与电场协同作用下,局部饱和沸腾传热系数和受限气泡单位时间长径比变化比率ζ分别最大提高了61.22%、605.5%;平均传热综合性能评价指标最高可达1.50。

逆流相分离结构微细通道流动沸腾传热与均温性

为探究不同相分离结构参数对强化微细通道流动沸腾传热性能和均温性的影响,加工制作了带有不同相分离结构的平行逆流微细通道试验段,分别为相分离结构(PSS)位置不同的PSS-1(上下游均匀分布)、PSS-2(上下游靠近中部)和PSS-3(上下游靠近两端),其中PSS-1分为A、B、C三种,分别对应4孔、6孔、10孔。以乙醇为试验工质,在有效热通量为17.12~87.25 kW/m^(2)、入口温度为70℃、质量流速为86.11 kg(/m^(2)·s)的工况下,对截面为2 mm×2 mm的矩形微细通道开展流动沸腾试验,并利用高速摄影仪对通道进行可视化研究,通过引入传热强化因子和壁面温度标准差研究了不同相分离结构对强化微细通道传热性能和均温性的影响以及相分离结构在高压通道和低压通道内的强化机制。研究表明,传热强化效果随相分离排气孔数增加而提升,相分离结构位置对传热特性的影响在高压通道和低压通道内有所不同。PSS-1-C微细通道的温度均匀性最好,在热通量为83.11 kW/m^(2)时微细通道平均壁面温度较无相分离相同通道降低了1.9℃,温度标准差降低了14.2%。可视化图像表明,相分离结构在压差作用下能实现气相转移,进而强化传热。

V槽的偏斜度及其分布对微通道流动沸腾特性的影响

运用VOF模型与用户自定义函数,数值模拟水在V槽微通道内的流动沸腾过程,分析V槽的偏斜度及其分布对通道内气泡的生长、脱离及气液两相流流型变化的影响.研究结果表明:V槽偏斜度会影响微气泡的脱离直径和脱离时间;偏斜度为1.0的V槽对应的气泡脱离直径较偏斜度为0和0.5的V槽分别减小0.063、0.025 mm,脱离时间分别缩短5.20、2.40 ms,气液两相流由泡状流向受限气泡流的转变沿流动方向往后推移2.7 mm,且片段环状流占据区间有所减小;对于偏斜度为1.0的V槽,当其沿流动方向的分布不同时,微通道内气液两相流动呈现不同特征,前疏后密的V槽分布能更好地抑制通道内气泡聚并,通道全程未见片段环状流发生,近壁区液膜可以避免受热面局部干涸,提升微通道流动沸腾换热的稳定性和可靠性.

列管式反应器管束间流体流动与沸腾传热研究

采用RPI壁面沸腾模型与PBM模型对列管式反应器管束间流动沸腾现象进行模拟计算,引入场协同理论分析分布板的强化传热机理,研究开孔大小与开孔形状对棒束通道流动与传热的影响规律。模拟结果表明,分布板对棒束通道内沸腾过程起到强化传热的作用,同时具有破碎气泡的能力,然而气相会在板上积聚形成气膜,出现传热恶化的现象;减小环隙宽度可强化分布板破碎气泡的能力,提高棒束通道内的温度与速度的场协同性;环隙与圆孔的组合开孔方式虽然会弱化分布板强化传热的能力,但能缓解板前传热恶化与板后气相死区等问题,降低分布板的压降。

微型翅片疏水复合强化管管内流动沸腾换热预测模型

采用实验的方法对比制冷剂在一根光滑管(ST管)与三根强化管内的流动沸腾换热特性。实验所采用的三根强化管分别为具有疏水表面的换热管(HYD管)、具有人字形微翅片的换热管(HB管)和同时具有人字形微翅片与疏水表面复合结构的换热管(HB/HYD管)。在饱和温度为279、283与288 K,质量流速范围为50~150 kg/(m^(2)·s),进出口干度分别保持在0.2和0.8的工况下进行实验。从结果分析可以看出,HB管与HYD管的传热系数分别约为光滑管的1.37倍与1.42倍,而具有复合表面结构的HB/HYD管具有最高的传热系数,约为光滑管的1.45~1.63倍。针对所测传热系数选择了6种经验预测关联式模型,并利用光滑管进行验证,证明所选关联式可靠。结合强化管的结构特点开发新型关联式模型,该模型对所研究强化管的传热系数预测较好,三种强化管约有90%以上的数据点在误差范围为±10%以内,这对工业设计换热器的方案进行了优化,进而提高换热器的效率与可靠性。

竖直多波纹板式换热器内R134a的流动沸腾实验研究

针对竖直多波纹板片内R134a的流动沸腾进行实验研究,采用高速相机捕捉并分析两相流型的衍变规律,分析干度对换热系数、压降的影响。结果表明:板片内部的汽液相于其所处平面沿水平方向存在交替分布特征;随着干度上升,板片左上角部分流域出现相对停滞的液膜区,其面积随着干度的增加而扩大;波纹板片内的主导换热机制由核态沸腾逐渐转变为对流沸腾。当干度x较低时(x<0.4),换热系数随干度的增加缓慢增加;随后换热系数随干度的上升速率加快(0.4<x<0.6),并于x=0.6时达到最大值;高干度时(x>0.7),板片内出现局部干涸现象,换热系数迅速下降。当质量通量相同时,板片的摩擦压降随干度的增加而增加,而饱和压力的上升会使得摩擦压降有所降低,最大降幅为20.4%。

R513A在水平管内流动沸腾传热特性的研究

全球变暖已成为各国关注的全球性问题,因此第4代新型环保制冷剂的研究迫在眉睫。制冷剂在蒸发器内的沸腾传热特性直接关系到该制冷剂的应用。R513A是R134a的替代制冷剂,通过实验研究R513A和R134a在12.7 mm水平光滑管和内螺纹管内的沸腾传热特性,分析质量流速、蒸发温度、热流密度和内螺纹结构对传热系数及压降变化的机理。实验工况:制冷剂的质量流速为100~200 kg/(m^(2)·s),蒸发温度为5~10℃。结果表明:沸腾传热系数随着热流密度的增大发生显著变化;随着质量流速的增加,沸腾传热系数增大15.06%~42.33%,压降增大26.16%~61.83%;随着蒸发温度升高,沸腾传热系数增大13.27%~38.25%,压降减小19.53%~33.27%;内螺纹管的传热系数显著高于光滑管,强化倍率最大为2倍。相同工况下,R513A的沸腾传热系数比R134a增大约25.61%~30.74%,R134a内螺纹管内压降比R513A平均高约12.33%;随着热流密度的增加,R513A的流型转变较R134a提前,此时沸腾传热系数急剧下降。

带矩形重入腔的直肋微通道内流动沸腾换热特性

为揭示矩形重入腔强化直肋微通道内流动沸腾换热的机理,采用实验方法研究了带矩形重入腔的直肋微通道内的流动沸腾换热特性,获得了不同质量流率(200~500 kg·m^(-2)·s^(-1))和不同热流密度(0~78.16 W·cm^(-2))条件下微通道内的传热系数和压降,并与无矩形重入腔的直肋微通道内的流动换热性能进行了对比。结合流态可视化测量结果,对微通道内流动沸腾过程中的流态进行了分析。实验结果表明:相比无矩形重入腔的直肋微通道,带矩形重入腔的直肋微通道内表现出更好的传热特性,尤其是在高质量流率G>400 kg·m^(-2)·s^(-1)条件下,各流态下带矩形重入腔的直肋微通道的传热性能均有所提升,G=500 kg·m^(-2)·s^(-1)时提升了14.8%;重入腔结构对液相工质的毛细牵引效应,提高了直肋微通道在高热流密度下的换热能力和临界热流密度;带矩形重入腔的直肋微通道的临界热流密度比无重入腔直肋微通道提升了15.2%;在单相区,带矩形重入腔的直肋微通道内的压降损失略高于无重入腔直肋微通道;G=500 kg·m^(-2)·s^(-1)时,在两相区带矩形重入腔的直肋微通道内的压降损失相比无重入腔直肋微通道下降了约48%。

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备的优化设计提供理论指导:以HFE-7100作为传热工质并将微通道流动沸腾冷却技术应用于微电子器件散热设备,可以提高设备的稳定性和可靠性;在不同热流密度的设备中通过控制入口过冷度和质量流率可有效地提升其散热性能;采用Lockhart提出的两相压降关联式可预测散热设备所需的泵功.

楔形歧管微通道流动与沸腾换热

为实现高热通量电子器件冷却,以HFE-7100作为工作流体,对3种楔形歧管微通道流动沸腾特性进行实验研究,并与常规的矩形歧管微通道进行对比,讨论了不同流量和过冷度条件下两种歧管几何形状和两种表面强化结构对沸腾传热系数、临界热通量和流动压降的影响。结果表明:楔形歧管结构能够促进流型由搅拌流转变为环状流,并提高流体输送效率与蒸汽排放效率,从而在改善换热性能的同时降低流动压降。与微针翅结构相比,采用激光烧蚀的多孔表面提供了一种简单便捷的强化沸腾换热的方法,能够极大地拓展换热表面,提供大量的成核位点,显著提高临界热通量(CHF)。将楔形歧管供液结构与多孔微通道相结合,歧管微通道平均两相传热系数提高了21.6%,临界热通量提高了30.4%,两相压降降低了12.7%,实现微通道散热器综合性能的显著提升。

微流控氧化硅纳米流体强化流动沸腾传热

利用纳米流体增强微通道流动沸腾传热是提高高功率电子设备传热性能的有效方法。然而,传统的纳米流体面临制造过程复杂、稳定性差以及无法控制纳米颗粒尺寸的挑战,对整体传热效率产生负面的影响。开发了一种简单的微流控合成策略,能够以连续、高效和高通量的方式制备高度稳定且尺寸可控的二氧化硅纳米流体。特别设计的螺旋微通道反应器仅需通过流速调节,便可实现连续流一步法合成具有30~110 nm可控粒径的稳定纳米流体。流动沸腾传热实验结果表明,在较高的流速下(0.4 m/s),较小尺寸的纳米颗粒(≤55 nm)的传热性能优于较大尺寸(110 nm)的纳米颗粒,对于临界热通量(CHF)和传热系数(HTC)的增强分别达到90.9%和68%。沸腾表面润湿性的提高、表面高效成核以及改善的汽泡动力学特性为传热性能的强化提供了理论解释。这些发现不仅为纳米流体的可控制备提供了新方法,还为航空航天、电力电子等功率器件的高效两相芯片冷却提供了新思路。