阵列射流空间填充水滴形Kagome桁架的靶面冷却性能多目标优化

近年来随着4D打印技术的兴起,力学性能优异的Kagome桁架结构作为新型的扰流单元逐步应用于高换热设备。针对火焰筒中的阵列射流结构,在其射流空间置入水滴形Kagome桁架结构,通过试验验证数值模拟方法;采用数值模拟计算方法,研究了结构参数对靶面换热特性的影响;基于计算数据,拟合了靶面努塞尔数和压损的关联式,并计算出在该结构参数范围下的最优结构。结果表明,拟合二阶响应面模型准确,预测误差小于1.70%。桁架单元结构参数d和α对平均努塞尔数Nuave的影响比较显著,d、α、β2和α^(*)β对压损系数C_(p)的影响比较显著。在最优结构参数d=1.000 mm,α=45.001°,β=46.623°的情况下,Nuave、C_(p)和综合影响因子F的优化结果与模拟结果误差分别为1.24%、0.18%和1.20%。优化件相比于试验件C_(p)减少了0.93%,Nu增加了12.78%,F增加了13.13%。

一种新型阵列射流冲击冷板的实验研究

本文介绍了一种新型的阵列式射流冷板,通过一系列实验,分析了该射流冷却型冷板的性能,实验结果表明,该冷板在系统最高温升不超过40℃的条件下,冷却能力超过了400 W/cm^2,实验还表明该新型冷板具有局部冷却能力高、等温好等特点,特别适用于高可靠性和等温性要求的阵列式局部高热流密度军用电子器件的冷却。

肋化结构对两相受限式阵列射流冷却的影响

为了利用两相沸腾换热提高阵列射流冷却热沉性能,使其可以用于更高热流密度散热场景,基于肋化结构对相变换热的促进作用,本文提出了两种复合不同肋化表面的受限式阵列射流冷却热沉结构,并对优化后的热沉的传热、流动特性展开了相关实验研究。两种肋化表面结构分别为:光滑切割针肋(SL1)、外覆烧结多孔层的粗糙针肋(SL2),针肋尺寸均为0.6mm×0.6mm×1mm (长×宽×高),SL2中多孔层颗粒粒径为120~150μm,厚度约为2倍颗粒直径。分布式阵列射流孔板构成5×5的射流单元,每个单元对应4×4针肋阵列,热源总面积30mm×30mm,针肋共计400个。实验使用无水乙醇为工质,得到了热沉在工质流量2.6~12.7mL/s、入口温度283~313K范围时的沸腾曲线和传热曲线。结果表明,两种针肋结构均可以有效实现单相强迫对流换热向两相沸腾换热的转变;增加入口温度或降低工质流量均可以有效地促进相变的发生。在相同工质流量、温度时,SL1较SL2具有更优的单相换热性能,随着加热热流密度的增加,SL2可以在更低壁面过热度下达到沸腾起始点实现过冷沸腾,表现出更佳的传热特性,但SL1可以达到更高的临界热流密度。

阵列射流冲击复合不同肋化表面的沸腾特性

阵列射流冲击冷却技术可以有效地解决高热流密度器件的散热问题,为了验证受冲击表面强化传热结构对优化两相射流冷却性能的有效性,结合高速显微摄像手段,研究了不同肋化表面结构形态对受限式阵列射流冷却的流动、传热特性的影响。设计了2种含不同肋化表面形态:光滑切割针肋(0.6mm×0.6mm×1.0mm)、外覆多孔烧结层的粗糙针肋(粒径为73~53μm)。实验使用无水乙醇为工质,以光滑表面的射流冷却热沉为对照组,入口温度均为20℃,在固定工质流量7.5mL/s下,随着加热热流密度由5W/cm^2增加至100W/cm^2时,热沉的换热系数均持续上升但增幅逐渐减小,未明显观察到沸腾相变的发生。对固定热流密度82.6W/cm^2、80.5W/cm^2改变工质流量(射流雷诺数)的实验工况,当工质流量由7.5mL/s逐渐降低至1.0mL/s时,可以非常明显地观测到射流腔内部工质由分层湍流逐步进入泡状流、弹状流及环状流,其分别对应起始沸腾区、核态沸腾区及膜态沸腾区。

碟片激光器晶体模块阵列射流冲击冷却的研究

为了研究影响碟片激光器晶体模块射流冲击冷却单元换热效果的核心因素,采用数值计算的方法,在喷孔总面积一定的条件下对孔径、孔间距及喷射距离进行了冲击冷却的分析,通过实验对换热系数进行了对比分析,并在实际的碟片激光器上对降温效果进行了验证。结果表明,孔径为0.6mm且孔间距为1.6mm的喷嘴B具有最好的换热效果,在3L/min的流量及3mm的喷射距离下,换热系数达到55000W·m-2·K-1;不同泵压下,存在最佳喷射距离,喷嘴B在0.2MPa时,最佳喷射距离为0.5mm;当流量为6.5L/min、喷射距离为5mm及注入电流为200A时,喷嘴B对碟片晶体的冷却温度比喷嘴C低5℃。此结论为碟片激光器晶体模块射流冲击冷却单元的优化设计提供了参考。

低速阵列射流强化换热实验与模拟分析

本文对大流动截面、低流动速度工况下,阵列射流对于多个三维加热模块的换热特性进行物理实验与数值模拟研究。验证了在此工况下其强化换热的有效性,通过不同位置模块平均Nu数的大小推得表面平均速度,证明了多孔结构的均流作用对于换热的强化起着重要作用。实验与数值模拟都很好地证明了这一点。本文对多孔结构的几何参数与阻力、换热特性进行了相关研究。

阵列射流-扰流柱复合冷却结构换热和压降特性数值研究

为研究阵列射流-扰流柱耦合换热结构对热端部件综合冷却效果的影响,采用数值模拟方法研究了阵列射流-扰流柱复合冷却结构的流动换热特性,重点关注扰流柱相对于射流孔的布置方式(顺排和叉排)、扰流柱直径d_p相对于射流孔的直径d_j之比(d_p/d_j=0.5,1,2)的影响。为体现阵列射流-扰流柱复合冷却结构的导热-对流强耦合传热过程特征,引入了靶板加热侧当量对流换热系数的概念,并分别采用冲击靶面对流换热系数和靶板加热侧当量对流换热系数进行了综合性能的评价分析。研究结果表明,采用绕流柱顺排和叉排方式的冲击靶面对流换热相较于光滑靶板分别增加约30%和10%,而扰流柱相对于射流孔呈顺排方式的对流换热效果要优于叉排方式,同时,顺排方式的压力损失系数却低于叉排方式。至于扰流柱相对于射流孔的直径比的影响,基于冲击靶面和靶板加热侧对流换热系数的综合性能评价存在显著的差异。

阵列射流冲击冷却传热特性的数值研究

以涡轮叶片冷却技术为背景,采用带转捩的剪切应力输运(Transition SST)模型对阵列射流冲击冷却的传热特性进行数值模拟,分析了冲击Re、冲击间距、初始横向流和冲击孔排列方式的影响规律。结果表明:冲击间距对靶面平均Nu的影响存在最优值,在所计算的范围内,Zn/d=2时平均Nu最大;在冲击孔排列方式影响中,当冲击间距Zn/d≤2时,顺排孔冲击冷却传热效果优于错排,而当Zn/d≥3时,错排孔冷却传热效果优于顺排。

周期性热流下受限阵列射流沸腾特性的实验研究

以去离子水为工质对恒热流和周期性热流加热下的受限式阵列射流进行了沸腾特性实验,获得了加热面温度分布、沸腾可视化图像以及测试段出口压力波动等数据,综合分析发现:(1)恒热流密度单相换热时,射流对冲区的温度高于滞止区的温度,温差随着热流密度的增加而变大,当对冲区出现稳定沸腾后,温差逐渐减小,并且出现滞止区温度超过对冲区的情况;(2)沸腾时测试段出口压力的频谱分布与气泡在表面的周期性生长和湮灭相对应;(3)周期热流密度时,在高占空比、低频下,沸腾能较快接近稳定沸腾,而在小占空比、高频率下,沸腾无法达到恒热流密度时的沸腾剧烈程度,当热流密度在沸腾起始热流密度附近时,加热结束时对冲区的温度相比于恒热流密度时有较大幅度的增加。

液体阵列射流冲击冷板工质与传热结构研究进展

液体阵列射流冲击冷却是解决高热流密度散热问题的最有效技术之一,能够有效地对目标表面进行散热,具有散热能力高、能效比高和噪声低的优点,在散热方面具有巨大优势。本文简述了国内外对阵列射流冲击的研究进展,从换热工质和射流冲击冷板的换热结构两个方面,指出了其对液体阵列射流冲击换热特性的影响,并介绍了倾斜射流和旋流射流两种新型阵列射流方式。综合分析了常用的液体换热工质和纳米流体换热工质在射流冲击过程中强化换热的原理,介绍了喷嘴孔型、喷嘴的排列方式和冲击表面结构三种阵列射流结构。分析表明,不同孔型的喷嘴会影响流体的射流速度和湍流特性,不同的喷嘴排列方式会对射流流体的相互作用和有效冲击面积产生影响,不同的冲击表面会影响射流工质的循环混合,这些都将对射流冷板的换热特性产生很大影响。指出了解影响液体阵列射流冲击效果的主要因素,是改善和提高射流换热性能的根本方法。

阵列射流冲击热沉搅拌摩擦焊接新方法

基于动态低应力无变形技术的原理,设计开发了阵列射流冲击热沉搅拌摩擦焊接新方法。结果表明,采用该方法可以有效减小搅拌摩擦焊接头残余应力,焊后试件基本无变形。采用射流冲击热沉的动态低应力无变形搅拌摩擦焊接头残余应力分布规律与常规搅拌摩擦焊类似,但应力峰值明显降低,约为常规FSW接头应力峰值的45%,可以实现FSW薄壁结构的低应力无变形焊接。该项技术可以提高一些铝合金材料FSW接头性能,具有较好的技术经济价值。

表面微结构对阵列微射流沸腾换热的影响

与单相射流相比,阵列式微射流沸腾换热耦合了分布式射流与气液相变两种高效传热模式,在高热通量电子器件冷却领域具有重要的应用前景。本文创新性提出一种具有顶部浸入式阵列射流柱与底部微针肋阵列结构耦合的微射流沸腾换热系统,采用无水乙醇为工质,研究了入口过冷度、入口Re、热通量对射流沸腾换热影响特性;采用电刷镀制备了镍/石墨烯微纳复合结构,研究了该复合结构对微针肋阵列表面射流沸腾换热的影响规律,揭示了镍过渡层引入的附加热阻以及蘑菇状微纳复合结构对气泡脱离的抑制是换热削弱的主要原因。为克服上述弊端,采用激光对镍/石墨烯微纳复合结构表面进行了刻蚀,发现激光刻蚀消除了镍/石墨烯微纳复合结构导致的附加热阻及其气泡脱离抑制效应,其最大传热系数达到30787.0W/(m^(2)·K),较镍/石墨烯微纳复合结构表面和针肋阵列光滑表面传热系数分别提高了140.7%和119.8%。本文的研究结果表明,微纳复合结构对沸腾换热的影响取决于制备工艺及其结构形貌,激光刻蚀较电刷镀形成的微纳复合结构在微射流沸腾换热强化方面更具优势,为表面微纳结构强化沸腾换热系统设计、制备和运行提供科学参考。

微阵列射流冲击肋化表面传热特性

以去离子水为工质,对微阵列射流冲击光滑和肋化表面的传热特性进行了实验研究,并以光滑表面传热性能为基准,讨论了肋化表面强化因子(ε)变化规律.实验结果表明:①浸没和自由射流的传热系数均受无量纲射流距离(H/d)影响;提高射流Re数和减小无量纲孔间距(S/d)都能够增强换热.②浸没射流ε受H/d影响大,而自由射流ε基本不受H/d影响;两种射流方式的ε都随Re数增大,且渐趋于一个常数.③对流热阻在各种射流情况下均随流量不断下降,但下降趋势逐渐平缓,当流量大到一定时,热阻基本不再降低.

特厚钢板阵列射流淬火的表面换热

采用特厚钢板专用辊式射流淬火试验装置和多通道钢板温度记录仪,测试出射流速度3.39~26.8 m·s^(-1)、雷诺数12808~117340、水流密度978.7~6751.5 L·(m^2·min)^(-1)条件下,84 mm厚钢板淬火冷却曲线;进而基于反传热修正方法计算高温钢板淬火过程壁面温度和热流密度,描绘出沸腾曲线,分析多束圆孔阵列射流对特厚钢板淬火表面换热的影响.结果表明:射流速度、水流密度等参数影响钢板表面射流滞止区和平行流区换热机制,进而影响最大热流密度分布.射流速度较低时,壁面平行流区观察到混合换热和"热流密度肩"现象;随射流速度增大,膜沸腾换热机制消失,最大热流密度移至较低壁面过热度处.相关研究将对特厚钢板淬火过程温度场计算和组织性能调控提供有益的帮助.

高效微射流阵列冷却热沉传热特性

微射流阵列冷却热沉是利用射流冲击在驻点区能产生很薄的边界层来提高换热效率,本次研究设计的热沉是5层结构的模块式铜微射流阵列冷却热沉,以去离子水为工质对传热特性进行了实验研究。结果表明,采用微射流阵列冷却不仅能通过增加驻点数目来强化换热,而且能有效地降低换热表面的温差。热沉的热阻会随着泵功的增加而降低;随着泵功的不断提高,热阻变化趋于平缓。

阵列射流/相变耦合换热实验研究

建立了一套泵驱动R134a工质阵列射流/相变耦合冷却的实验系统,实验研究了超高热流密度条件下系统的冷却性能,分析了工质流量、热负荷、相变潜热等因素对系统换热性能的影响。结果表明,将相变引入射流冷却中可以有效提高射流换热能力,实验控制流量Q_v≤1.2 L·min^(-1)·cm^(-2),热流密度为305 W/cm^2的条件下,控制发热体表面温度为57.61℃。

高热流密度燃烧室壁面阵列空气射流-燃油组合冷却结构研究

针对高热流密度燃烧室壁面热防护需求,提出了一种空气阵列射流冲击和燃油冷却肋板的集成冷却方式,在射流平均雷诺数Rej为1×10^(4)~3×10^(4),燃油进口流速vf为2.33~5.23m/s内,采用数值模拟方法对其传热特性进行了研究,并基于壁面加热侧当量对流换热系数的概念,分析了基准肋板以及燃油冷却肋板的传热增强作用。与无肋板靶面的阵列射流冲击相比,带肋板阵列射流冲击的面积平均当量对流换热系数是前者的1.6倍,压力损失系数相对提高了约25%;采用燃油冷却肋板,加热壁面综合传热能力进一步增强,在Rej=1×10^(4)时,采用燃油冷却肋板的面积平均当量对流换热系数是基准肋板的1.5倍以上,即使在Rej=3×10^(4)时,燃油冷却肋板的传热增强比也可以达到1.2;燃油冷却肋板的出口温度相对进口温度的提升在20~50K内,其提升幅度随着射流雷诺数或燃油进口流速的增大而减小。

烧结多孔表面分布式阵列射流沸腾

使用50,100和200μm粒径的铜粉,分别烧结制作了厚度为2倍粒径的多孔结构表面,以新型环保电子冷却液HFE7000为工质,进行了分布式阵列射流沸腾的换热性能实验,并将实验结果与光滑表面进行了对比.结果表明,烧结多孔表面增加了对流换热面积,增强了流体扰动,大大强化了单相段换热性能,且流量越高,强化效果越显著;100和200μm颗粒烧结表面的强化效果接近,且明显好于50μm颗粒烧结表面,表明粒径和厚度对传热性能具有重要影响.在射流沸腾换热过程中,多孔烧结表面提供了更多的气化核心和更大的换热面积,但同时也增加了蒸汽逸出阻力,100μm颗粒烧结表面强化效果最佳,其最大沸腾换热系数比光滑表面提高了61%.分布式射流是沸腾表面补液的主要途径,由于HFE7000本身表面张力小、亲水性好,多孔表面吸液能力对于临界热流密度(critical heat flux,CHF)的影响较小,100μm颗粒烧结表面的CHF和光滑表面相比仅提高了17%.尽管如此,烧结多孔表面的核态沸腾偏离点(departure from nucleate boiling,DNB)与CHF之间的热流密度区间显著变大,对实际应用过程有利.

阵列微喷射流冷板传热及压降特性实验研究

本文针对一款具有阵列微喷射孔的液冷冷板搭建了液冷实验系统。液冷冷板结构为13×15的圆孔阵列,单个喷射孔孔径为0.5 mm。实验系统由水循环系统、加热源系统和信号数据采集系统组成。实验完成了从200 W至550 W间共8级的加热功率变化。随着喷射速率从0.22 m/s增加至0.58 m/s,压降从59.22 kPa升至288.38 kPa,表面传热系数增加到了9,001.6 W/(m^2·K)。当热源表面温度为78.9℃,喷射速率达到0.58 m/s时,散热功率密度可达29.89 W/cm^2。实验结果表明阵列微喷射流液冷冷板具有较好的散热性能,对于高功率密度电子设备冷却有应用前景。

HMDSO添加对大气压Ar等离子体射流阵列放电特性的影响

大气压等离子体射流阵列是适合大面积复杂材料表面处理的等离子体形式。针对材料表面处理对大面积等离子体源的需求,在实现大气压一维Ar等离子体射流阵列的基础上,在工作气体中添加六甲基二硅醚(HMDSO)来获得含憎水性成分的射流阵列放电,利用电学和光学的诊断方法诊断射流阵列的放电特性,并研究了外加电压幅值和HMDSO体积分数变化对射流阵列放电均匀性、放电功率、传输电荷和主要活性粒子的影响,进而优化了大气压Ar等离子体射流阵列的工作条件,为射流阵列憎水改性应用提供参考。结果表明:随着HMDSO体积分数增加,放电电流脉冲幅值、每半周期的脉冲个数、放电功率以及传输电荷均下降,放电耦合排斥作用被抑制,放电均匀性有所加强;除了Si谱线,放电产生的主要粒子谱线强度均随HMDSO体积分数的增加而减小;Si谱线随着HMDSO体积分数提高先增大后减小,在HMDSO体积分数为0.02%时,Si谱线强度出现极大值,因此工作于该条件下的Ar/HMDSO等离子体射流阵列应用于材料的表面憎水改性,有望获得良好效果。