Analysis of Thermal Conductivity of Frost on Cryogenic Finned-tube Vaporizer Using Fractal Method

Thermal conductivity of frost is not only related to density, but also affected by its microstructure and environmental conditions, and it will continuously change with the formation and growth of frost. Images of frost formation and growth on the cryogenic surface in various shapes at different stages were obtained by experimental measurements, and a numerical simulation of frost formation and growth was carried out based on Diffusion Limited Aggregation (DLA) model of fractal theory in this paper. Based on the frost structure obtained by experiment, the fractal dimension of pore area distribution and porosity of frost layer on the cryogenic finned-tube?vaporizer were calculated by using fractal method, and combined with heat conduction model of frost layer obtained by thermal resistance method, the thermal conductivity of frost on the cryogenic surface was calculated. The result shows that the thermal conductivity calculated by the fractal model coincides with the range of the experimental data. Additionally, comparison with other heat conduction models indicated that it is feasible to introduce the fractal dimension of pore area distribution into heat conduction model to deduce the thermal conductivity of frost.

相变储能拓扑翅片的性能研究

为强化翅片管式储能系统的传热速率和相变材料域的温度均匀性,基于带惩罚的固体各向同性材料方法,以两种分形结构和对应翅片体积分数为参数,采用月桂酸为相变材料,进行了拓扑优化设计,并对比研究了拓扑优化的强化导热效果和温度均匀性。研究表明:壁面温度20℃时,拓扑优化有更好的导热效果,比分形优化分别减少21.18%和12.68%的总凝固时间,相变材料温度最高降低了7.33℃和4.30℃,平均降低了0.98℃和3.85℃;拓扑优化也具备更好的温度均匀性,相变材料平均方差分别为对应分形的33.38%和72.13%;壁温偏离拓扑的设计参数时,其热性能也基本未发生改变。以上结果传导为翅片设计提供了一定参考。

偏心分形翅片管相变储热单元性能强化模拟

为了探索偏心分形翅片管对相变储热单元性能强化的作用机理,对偏心分形翅片管相变储热单元中石蜡的熔化展开了二维非稳态模拟研究。在考虑自然对流的情况下对比研究了偏心矩形翅片和偏心分形翅片两种储热单元的传热特性。并对偏心分形翅片结构进行了局部强化,选择矩形翅片、Y型翅片和分型翅片3种方案。结果表明,偏心分形翅片结构对自然对流的促进高于偏心矩形翅片结构且整体温度分布更均匀,这与分型翅片可以促进热量由点到面的扩散相符。在3种局部强化方案中,偏心分形翅片强化效果最佳,且整个过程的熔化速率都有提高,使熔化时间缩短了70%。这对管壳式相变蓄热器的性能提升提供了很好的理论指导,进一步扩展了其在储能领域的应用前景。

基于分形论的深冷翅片管气化器结霜数值模拟

利用分形理论DLA模型,建立翅片管气化器深冷表面霜层生长模型,通过控制程序循环次数模拟了深冷表面霜层生长不同阶段。结合实验观测到的深冷表面霜层生长过程,从分形维数和霜层密度两个方面验证数值模拟的合理性。结果表明,结霜初期随着初始霜枝晶上不断长出分枝晶,霜层密度随厚度的增大而减小,且深冷表面上霜层分形维数较一般冷表面分形维数大,说明深冷表面霜的生长更加复杂,充满空间的能力更大。这对进一步理解空温式深冷翅片管气化器表面结霜机理,探索有效除霜方法,提高气化器换热特性有重要意义。

空温式翅片管气化器结霜模型及数值模拟

以分形理论的DLA模型为基础,建立了空温式翅片管气化器深冷表面上霜晶生长的二维模型,模拟了深冷表面上的霜晶生长过程。采用计盒维数法对模拟出的霜晶生长图像进行了分形维数的计算,结果表明深冷表面上霜晶的分形维数较一般冷表面上的分形维数大,从而说明深冷表面上的霜晶具有更加复杂的结构,充满空间的能力更大。这对进一步理解空温式深冷翅片管气化器表面上霜层的生长机理,探索有效的气化器抑霜除霜方法,提高气化器换热特性有重要的指导意义。

不同长径比的分形肋片强化PCM熔化传热数值分析

为了探究分形肋片强化相变传热的规律,基于相变传热理论和分形理论,建立了分形相变换热器模型,采用热焓-孔隙率法,模拟了分形肋片换热器中PCM熔化传热过程。分析了分形肋片径向长度与换热管道管径及其比值对PCM熔化传热的影响。结果表明,在Fo<0.02时,PCM熔化速率随着长径比的增大而减小;在Fo>0.02时,PCM熔化速率随着长径比的增大而增大并最终趋于平稳。在相同无量纲时刻,随着长径比增加,PCM温度分布的均匀性越好。初始时刻,热流密度随着长径比的增加而减小;熔化后期,热流密度随着长径比增加而增加,并且随着时间的推移维持在较高的稳定水平。在PCM熔化过程中,分形肋片径向长度与换热器换热管径之间存在的最佳比值为12,即在换热管径为10 mm时,分形肋片最佳径向长度为120 mm。这为分形相变换热器的结构设计提供了理论依据。

基于分形理论的翅片管气化器霜层热导率

基于分形理论的DLA模型,数值模拟了翅片管气化器表面霜层生长过程,同时对霜层生长形态进行了实验观测,得到了不同时刻的霜层生长图像。计算了气化器表面霜层剖面孔隙面积分布分形维数与分形孔隙率,模拟图像与实验图像的对比表明两者取得良好的一致,验证了数值模拟的合理性。在此基础上建立了霜层导热的分形模型,采用热阻法给出了霜层热导率表达式。计算结果表明,用该方法确定的霜层热导率与实测得到的霜层有效热导率值域范围是相符的。并通过与其他导热模型的比较,验证了将剖面面积分布分形维数引入导热模型以确定霜层热导率的可行性,从而为霜层热导率的理论研究开辟了一条新路。

深冷工况下结霜传热分析

利用设计的竖直平板结霜实验台,对自然对流条件下深冷表面结霜进行实验研究,得到结霜前期深冷表面温度、霜层厚度以及通过深冷表面的热流密度随时间的变化规律;同时实验观测了霜层生长形态,得到不同时刻霜层生长图像。通过对霜层生长进行分形分析,在应用分形理论获得实际霜层有效导热系数的基础上计算得到了结霜时通过深冷表面的热流密度。结果表明,在结霜前期热流密度先增大后逐渐减小,变化波动较大,造成翅片管气化器在深冷工况下运行的不稳定。此外,计算热流密度与实验测得热流密度较好的一致性,也验证了将分形理论引入导热模型以分析霜层传热特性的可行性。

环肋翅片管相变传热特性及分形优化

基于管壳式相变换热器,通过数值模拟方法研究了35号石蜡在矩形环肋翅片管外的融化传热特性,建立肋片单元三维模型研究热流体温度、肋片高度参数对传热过程的影响,并探究了分形结构翅片的优化传热性能。结果表明:矩形环肋翅片管外相变融化过程分为传热速率差异明显的3段,适用于不同功率需求;提高热流体入口温度和相变材料温差近似等比增强总传热功率;肋片高度由10 cm分别提高至12.5 cm、15 cm时,总融化时间分别缩短42.89%、71.96%,增强传热,但功率重量比降低;分形结构优化翅片总融化时间缩短41.95%,功率提高,为相变翅片管的优化设计提供参考。

低温粮食储存用相变蓄冷装置性能强化研究

基于相变材料的蓄冷技术可将电力供给峰期的制冷负荷转移到谷期,实现节省运行费用、减小装机容量等目的。本文基于enthalpy-porosity方法建立了分形树状肋片结构的相变蓄冷装置释冷过程的二维非稳态理论模型并进行了数值模拟,获得了释冷过程中的形貌特征与温度场分布特性,评估了不同肋参数(肋高、肋厚、肋数)蓄冷装置的释冷效果,给出了粮食低温储存蓄冷装置的肋片优化结构。

具有分形翅片的相变蓄热单元熔化过程数值模拟分析

相变材料热导率较低,使得相变储热装置性能受到限制。为提高相变储热装置性能,针对不同分形结构的管壳式相变储热装置,利用数值模拟方法分析了有无分形翅片下相变材料熔化过程特性。结果表明,分形结构能够显著强化相变材料的熔化速率,在液态相变材料浮升力作用下储热单元上部温度较高于下部。当套管中内壳内壁面温度为90℃时,无分形结构的翅片套管式相变蓄热单元的熔化时长为110 s,而具有60°和90°分形结构的蓄热单元的熔化时间分别缩短了27.27%和36.36%。无分形结构、具有60°分形结构和具有90°分形结构装置在熔化稳定后平均温度分别约为338、341、343 K。此外发现,随着相变材料的逐渐熔化,自然对流换热效果呈现先逐渐增强,在达到旺盛自然对流阶段后又逐渐减弱,其原因主要是由于温度场逐渐趋于均匀,自然对流的温差减小所致。

基于分形理论的三维系统封装微通道布局设计

为了更好地解决大功率三维系统封装（3D-SIP）芯片散热的问题,将分形理论和翅片型微通道相结合,应用于微米级的微通道布局中,形成新型的平行翅片型微通道、交错翅片型微通道、树状翅片型微通道3种布局。在ANSYS的FLOTRAN中建立了相应模型,得到了大功率芯片结温、芯片温差和3D-SIP的热阻,比较了3种微通道布局对大功率3D-SIP散热特性的影响。研究结果表明,相比其他两种微通道布局,树状翅片型微通道布局使3D-SIP的大功率芯片散热效果最好,为大功率3D-SIP的散热设计提供了很好的参考依据。

分形翅片对三套管相变蓄热器蓄热性能的影响

为解决传统蓄热器蓄热时相变材料(PCM)区域存在蓄热效率低、熔化不均匀等问题,以加装了8根纵向翅片的三套管相变蓄热器为基本结构,保证翅片在蓄热器内所占体积不变,纵向翅片以“Y”字进行分形,利用FLUENT软件模拟研究Y形翅片长度、分支角度对三套管相变蓄热器蓄热性能的影响。结果表明:三套管相变蓄热器添加分形翅片后,与添加了普通纵向直翅片的结构相比,增大了换热面积,有利于自然对流的发展,有效缩短了PCM完全熔化所需时间;综合分析可得,Y形翅片根部与分支分别占总长度的25%与75%、分支角度为60°时为最佳Y形翅片结构,PCM完全熔化速率明显提高,整体蓄热性能得到提升。与普通直翅片蓄热器相比,提出的Y形翅片相变材料受热更加均匀,蓄热速率更快,其数值模拟结果可为相变蓄热器的结构优化设计提供一定的参考依据。