高热流作用下微通道内种子气泡热控沸腾传热数值模拟

深入研究种子气泡触发微通道流动沸腾传热机理。基于一种精确简单气液相变模型,运用流体体积函数方法对高热流密度下微圆管内种子气泡触发沸腾传热进行数值模拟。种子气泡在四种触发频率下进入微圆管。模拟结果表明,种子气泡触发频率是影响系统传热和稳定关键因素之一。低频(≤100 Hz)下,种子气泡抑制壁面温度波动不稳定性效果不明显,壁面过热度随时间呈大幅毫秒级波动;高频(1 000 Hz及以上)下,随着触发频率增加,壁面过热度振荡现象逐步成功得到抑制,恒热流加热壁面温度降至极限值。但触发频率存在饱和值(f=2 000 Hz)。通过对饱和触发频率下微通道内稳态时刻流型、局部传热系数进行分析发现,微通道内实现连续相变换热,拉长气泡区域局部传热系数维持在单相换热时2～3倍。

联箱形式对微通道热沉流动与传热性能的影响

建立了微通道热沉的三维数值模型,同时求解流体Navier-Stockes方程、能量方程和固体区域的导热方程,模型计算结果与文献报道实验数据吻合较好.设计了新型的微通道热沉,采用本文模型对其性能进行分析计算.通过在联箱内加入隔板,设计了1—6弯头新型联箱微通道热沉,通过提高每程流速和引入交替顺逆流动,降低微通道热沉的热阻并提高其均温特性,并与直通型和Z型联箱设计比较.在8种联箱设计中,蛇形弯头联箱的热阻和均温特性均优于Z型和直通联箱,即便增大Z型和直通联箱制冷剂供液泵功,其热阻和均温性也很难达到低泵功下蛇形弯头联箱的性能.蛇形弯头数大于4时,底部中心线温度分布曲线基本重合,再增大弯头数,对降低热阻和提高均温性均无明显贡献,同时会增加额外的泵功.

重力热管壁温与传热特性的实验分析

使用FC-72、乙醇和水作为工质,根据热管各部分的温度变化,研究重力热管的启动、壁温波动和传热性能,分析工质对重力热管壁温和传热特性的综合影响。实验结果表明:重力热管在启动和运行过程中的壁温波动与内部工质和加热功率等因素相关,使用FC-72作为工质时,重力热管可在加热功率Q=10 W时平稳启动,以乙醇为工质时虽在启动中有温度波动但当加热功率升高时波动消失,而充有水的重力热管在小功率启动时温度波动较大,且存在温度波动的功率范围较广。所以FC-72或乙醇为工质时热管壁温稳定性较好;而以水作为工质时热管整体传热性能较好,冷凝热阻较小。同时蒸发段的轴向温度均匀性受工质类型和加热功率影响,在加热功率较小时,以FC-72为工质的热管蒸发段轴向均温性较差。

多孔翅片散热器内辐射/对流/导热的耦合传热

采用切比雪夫配置点谱方法对多孔翅片散热器内辐射、对流和导热的耦合传热问题进行求解。在多孔翅片散热器内,导热系数、对流换热系数、表面发射率以及内热源均为温度的函数。在求解多孔翅片散热器内耦合传热的过程中,采用切比雪夫配置点谱方法对根据Darcy定律建立的多孔介质传热模型进行离散,并将微分形式的控制方程转换为代数形式的矩阵方程。另外,分析了热物性参数对无量纲温度和翅片效率的影响。通过与文献中同伦摄动法的计算结果相比较发现:切比雪夫配置点方法对多孔翅片散热器内耦合传热问题有很好的计算精度。

对流和辐射条件下变热特性参数的肋片传热性能

采用谱配置法对导热系数、表面对流换热系数和表面发射率均为温度函数的对流-辐射肋片的传热性能进行研究。在求解过程中,肋片温度通过谱配置点和拉格朗日插值多项式离散,从而将微分形式的能量方程转化为矩阵形式的代数方程。与文献中的解析解相比较发现:谱配置法对肋片的非线性传热问题具有很好的计算精度和计算效率;计算精度随着配置点的增加近乎呈指数上升。同时发现:随着导热系数变化率和表面对流换热系数变化率的增加,以及表面发射率变化率的减少,肋片温度随之升高;随着对流与导热耦合参数和辐射与导热耦合参数的减少,肋效率随之提高。

垂直上升管内超临界CO_2流动传热特性研究

在压力为7.5～21 MPa,热通量为50～413 kW·m^(-2),质量流速为519～1500 kg·m^(-2)·s^(-1)的实验参数范围内,对超临界CO_2在内径为10.0 mm的垂直上升管内的流动传热特性进行了均匀加热条件实验研究。分析了热通量、压力和浮升力对圆管内传热特性的影响规律。实验结果表明:随着热通量的增加,传热出现恶化现象,并且随着热通量的增加壁温峰值点向入口段移动。传热恶化发生在流体温度小于拟临界温度而壁面温度大于拟临界温度附近。增大压力时由于物性的变化趋于平缓,传热恶化被抑制。当传热恶化发生时,浮升力对传热恶化有明显的影响。基于实验数据,综合考虑物性变化和浮升力对传热的影响,建立了新的超临界二氧化碳传热关联式,在实验工况范围内,预测值与实验值的平均偏差和标准差分别为1.2%和16.29%。

微小通道内不同润湿性表面流动冷凝传热

利用丝网烧结和聚四氟乙烯溶液(Teflon)浸渍法,在铜表面上制备了亲疏水匹配的结构,即在疏水四氟涂层上有阵列排布的椭圆亲水点,仅有四氟涂层的全疏水表面和不作修饰的全亲水铜表面作为对照,考察了以这三种表面为底部换热区域的矩形微小通道(水力直径1.5 mm)的换热特性和流动特性。实验的通道内蒸汽质量流速为10~60 kg·m-2·s-1,干度为0.3~1,亲疏水匹配表面与亲水表面相比,蒸汽冷凝传热系数(HTC)最高增加了454.6%,与全疏水表面相比,传热系数最高增加了107.3%,利用高速相机拍摄可视化照片,观察了通道内气液两相,尤其是表面液滴成核、聚并、冲刷的周期运动过程,解释了亲疏水匹配表面强化传热的机理。

超疏水高/低黏附表面的冷凝传热特性

目的获得超疏水高、低黏附表面传热性能的差异及其规律。方法以紫铜为基底,制备了亲水、超疏水高黏附与超疏水低黏附3类表面,研究了表面黏附性、蒸汽体积流量和冷却水流量等参数对冷凝传热的影响。结果蒸汽体积流量较小时,3类表面中,超疏水低黏附表面因液滴受到的黏附力较小而具有最大的冷凝传热系数。当蒸汽体积流量等于4.5 L/min时,超疏水高黏附和超疏水低黏附表面的传热系数分别为14.5 kW/(m^(2)·K)和19.8 kW/(m^(2)·K),相比亲水表面分别强化了3.6和4.9倍。随蒸汽流量的增加,3类表面的冷凝传热系数均逐渐增大。但高黏附表面上的液滴因受到的气–液界面剪切作用较强,其传热系数的增幅在3类表面中最为显著。当蒸汽体积流量增大到6.0 L/min时,超疏水高黏附表面的冷凝传热系数可达105 kW/(m^(2)·K),此时略大于超疏水低黏附表面的冷凝传热系数。结论液滴所受黏附力大小和气–液界面剪切作用程度共同决定了液滴脱落直径和冷凝传热系数的大小。因此,两类超疏水表面的冷凝传热系数随蒸汽体积流量变化的曲线存在交叉点,且交叉点所对应的蒸汽体积流量随着冷却水流量的增大而增加。

超临界压力CO2在水平圆管内流动传热数值分析

采用SST k-w低雷诺数湍流模型对加热条件下超临界压力CO2在内径di=22.14 mm,加热长度Lh=2440 mm水平圆管内三维稳态流动与传热特性进行了数值计算.通过超临界CO2在水平圆管内的流动传热实验数据验证了数值模型的可靠性和准确性.首先,研究了超临界压力CO2在水平圆管内的流动传热特点,基于超临界CO2在类临界温度Tpc处发生类液-类气“相变”的假设,揭示了水平圆管顶母线和底母线区域不同的流动传热行为.然后,分析了热流密度qw和质量流速G对水平圆管内超临界压力CO2流动换热的影响,通过获取流体域内的物性分布、速度分布和湍流分布等详细信息,重点解释了不同热流密度qw和质量流速G下顶母线内壁温度Tw,i分布产生差异的传热机理,分析结果确定了类气膜厚度d、类气膜性质、轴向速度u和湍动能k是影响顶母线壁温分布差异的主要因素.研究结果可以为超临界压力CO2换热装置的优化设计和安全运行提供理论指导.

分相式多孔壁微通道流动冷凝传热强化与减阻

微通道换热器应用广泛,强化传热和减阻是新型换热器设计的重要目标。为了同时实现这两相目标,本文提出了一种分相式多孔壁微通道冷凝器,利用微针肋阵列组成的多孔壁在冷凝传热过程中实现了汽液两相分离。采用实验研究方法对比了分相式多孔壁微通道与普通实心壁微通道的流动和传热特性,结果证明分相式微通道在冷凝传热中同时具备强化传热和减阻的作用。深入研究了通道内两相流动摩擦耗散原理并提出了相分离减阻理论,指出汽液两相流内部摩擦耗散的减小是分相流减阻的关键。另一方面,分相过程使针肋换热面侧壁直接与高温蒸汽接触,极大消减了蒸汽与换热壁面之间的传热液膜厚度。沿流动方向不断扩展的液通道截面与不断减缩的汽通道截面积适应了流动冷凝过程延工质流动方向"水渐多,汽渐少"的规律,保证沿程传热效果不会恶化。

非对称纳米通道内流体流动与传热的分子动力学

采用分子动力学方法研究了流体在非对称浸润性粗糙纳米通道内的流动与传热过程,分析了两侧壁面浸润性不对称对流体速度滑移和温度阶跃的影响,以及非对称浸润性组合对流体内部热量传递的影响.研究结果表明,纳米通道主流区域的流体速度在外力作用下呈抛物线分布,但是纳米通道上下壁面浸润性不对称导致速度分布不呈中心对称,同时通道壁面的纳米结构也会限制流体的流动.流体在流动过程中产生黏性耗散,使流体温度升高.增强冷壁面的疏水性对近热壁面区域的流体速度几乎没有影响,滑移速度和滑移长度基本不变,始终为锁定边界,但是会导致近冷壁面区域的流体速度逐渐增大,对应的滑移速度和滑移长度随之增大.此时,近冷壁面区域的流体温度逐渐超过近热壁面区域的流体温度,流体出现反转温度分布,流体内部热流逆向传递.随着两侧壁面浸润性不对称程度增加,流体反转温度分布更加明显.

V形槽微通道阵列铝热管传热特性

为强化微通道阵列铝热管的传热性能,将V形槽应用于微通道阵列铝热管,利用R1336mzz(Z)、HFC4310mee和丙酮工质在不同倾角下对热管进行了传热特性研究。结果表明:V形槽微通道阵列铝热管的最佳充液比为23.2%,在45°~90°倾角范围内,热管在相同加热功率下具有较低的蒸发端温度且受倾角的影响很小,而在0~45°倾角下传热性能受角度的影响较大;在θ=90°和0°这两个特殊的角度下,不同的工质使热管呈现出不同的传热特性。当θ=90°时,填充丙酮的阵列铝热管热性能较好,最高等效导热系数可达到35.67 kW/(m·K)。而当θ=0°时,3种工质阵列铝热管的热性能尽管都有所下降,但仍保持较好的传热性能,其中丙酮阵列铝热管加热功率在0~160 W时,其等效传热系数均能达到垂直时的72.5%以上,最高等效导热系数也能达到22.28 kW/(m·K),这归功于V形槽道能够提供较强的毛细驱动力,可缓解热管因重力作用弱化而带来的不利影响。

冷却条件下渐扩/渐缩管内超临界压力二氧化碳的传热特性

采用SSTk-ω湍流模型,数值计算了冷却条件下超临界压力二氧化碳(SCO_(2))在三种水平管(等截面管、渐扩管和渐缩管)内的传热特性,研究了不同运行参数(压力、质量流量及热通量)对传热性能的影响。结果表明,与等截面管相比,渐扩管有效地强化了传热,采用渐扩管时,SCO_(2)的总传热系数最大提高了47.98%。然而,相比等截面管,渐缩管却削弱了传热。最后,从类冷凝和湍流场分布的角度阐明了传热强化的物理机理。为SCO_(2)冷却器的优化设计提供了新的思路和理论指导。

危废焚烧锅炉饱和蒸汽驱动有机朗肯循环系统热力学分析

危险废弃物焚烧处理过程中产生的热量通常用于生产饱和蒸汽以供应工业园区的蒸汽、热量等需求,也可以用于低温发电。分析了饱和蒸汽驱动有机朗肯循环(ORC)系统做功时的热力学特性。通过基本工况下蒸汽潜热型热源与ORC系统的热匹配特性分析,提出3种优化措施,并研究了单一优化和组合优化措施下以及不同工况下的系统热力学性能。结果表明,组合优化可使系统获得更优的性能,相对于基本工况,优化后的工况下最大净输出功为3 193.81 kW,提高了170.46%;热效率为23.34%,提高了30.25%;总[火用]效率为66.25%,提高了41.80%。

超临界压力下CO_2在螺旋管内的混合对流换热

在恒热流条件下,对超临界压力CO2在内径为9 mm,绕径为283 mm,节距为32 mm的螺旋管内垂直上升混合对流的传热特性进行了实验研究,实验参数范围为：进口压力8 MPa、质量流速0～650 kg·m-2·s-1、内壁热负荷0～50 kW·m-2。研究发现：受热螺旋管内超临界压力CO2的壁温及传热特性由变物性、浮升力及离心力的耦合作用共同支配,变物性及浮升力影响的相对大小可用Buoyancy数定性表征,当Bo〉8×10-7时,自然对流占主导作用,浮升力作用引起强烈的二次流效应,显著强化传热;在浮升力和离心力共同作用下,截面周向温度最低点出现在外下侧区域,且当浮升力作用占优时,底部区域的传热系数大于外侧,当离心力作用占优时,底部区域的传热系数小于外侧。基于本实验获取的2346个数据点,得出了计算Nu实验关联式,90%以上的实验值与拟合公式计算值偏差在±20%以内。

S-CO_(2)部分膨胀循环余热利用系统热力学特性研究

针对通过热力循环实现余热利用的系统,解决循环热效率与热源利用率之间的相互制约问题是构建高效余热吸收系统的关键。以超临界二氧化碳循环为例,为拓宽余热吸收温区从而提高余热利用效率,构建了新型循环即部分膨胀循环,耦合燃气轮机排气后,余热利用系统的发电效率为28.62%,循环热效率34.03%,热源利用率84.11%。为论证部分膨胀循环的优势,进一步构建了基于单回热布雷顿循环与再压缩布雷顿循环的余热利用系统,并对3种循环进行对比,通过热力学第一定律、第二定律计算分析,发现部分膨胀循环的发电效率均高于其他2种经典循环;通过分析循环流程,揭示了部分膨胀循环效率较高的原因,即部分膨胀结构拓宽了吸热温区,使得热源利用率大幅升高,从而提高了发电效率。

纳米流体微通道热沉的性能强化

基于对纳米流体热导率及黏度公式的筛选,本文发展了纳米流体微通道热沉的三维流固耦合模型,分析了热沉结构、纳米颗粒种类、粒径、体积分数及基液种类等关键参数对热沉性能的影响.结果表明:(1)纳米颗粒随机运动引起的附加热耗散强化了纳米流体的对流换热,显著提高了热沉的冷却性能;(2)纳米流体的强化作用依赖于热沉结构,且依赖关系不同于纯流体,需对纳米流体作为冷却剂的热沉结构进行优化;(3)颗粒体积分数增加,热沉热阻降低,但压降升高,综合考虑热阻和压降,最佳的冷却剂为0.5%体积分数的水基Al2O3纳米流体,相对于纯水,其使热阻降低了10.1%,压降仅增加0.38%;(4)颗粒粒径对热阻影响较小,考虑纳米流体稳定性,推荐使用小粒径的纳米颗粒;(5)Al2O3纳米颗粒优于TiO2,CuO最差,最优的基液为水,依次为乙二醇和机油.

中低温地热发电有机朗肯循环工质筛选

针对进口温度为423.15 K的中低温地热驱动有机朗肯循环发电系统,采用与热源耦合的反问题方法,选取干工质与等熵工质共6种、湿工质6种,在回灌温度为333.15～353.15 K时进行计算比较,分析了地热水回灌温度对不同临界温度、不同干度工质循环性能的影响,进而筛选出最优工质。分析结果表明,在地热水进口温度为423.15 K条件下,随着回灌温度逐渐升高,大多数工质的净输出功呈先升高后降低的趋势;对相同类型工质进行比较,工质临界温度越高,其最大净输出功越低,且最佳回灌温度越高;湿工质在微过热循环(膨胀机出口为饱和汽态)下与干工质饱和循环最大净输出功相当。综合考虑工质循环性能、环境影响、毒性及易燃性,确定最优工质为R236fa。

纳米流体Rayleigh-Bénard细胞流的格子-Boltzmann模拟

采用热格子-Boltzmann方法,对两平行平板间纳米流体的Rayleigh-Bénard细胞流现象及其影响因素进行数值模拟研究,模型计算结果与方腔内纳米流体的自然对流实验结果吻合较好。讨论了纳米颗粒种类(Al2O3、Cu和SiO2)、体积分数(1%～4%)等因素对细胞流流动和传热的影响。研究发现平板间纳米流体的Rayleigh-Bénard细胞流的流动和传热行为明显异于纯流体,同时发现纳米流体的热导率、黏度和颗粒的热运动共同决定细胞流的流场和温度场分布的规律:热导率越大、布朗运动的越强,会减小流体温度的非均匀性,削弱对流作用,使其细胞流对涡个数减小;黏度增大也会抑制细胞流的发展。

基于太阳能分频利用的光伏/光热综合发电系统热力学分析

通过对太阳能聚光投入辐射进行分频,建立光伏与光热驱动有机朗肯循环综合供电系统。在冷却背板温度100℃的限制下,对该系统进行热力学分析,筛选了适宜的循环工质,获得了有机朗肯循环(ORC)系统优化的蒸发温度。结果表明:isobutene作为光伏系统的冷却工质和ORC系统的循环工质时系统效率最高,分频技术将冷却背板散热负荷转移至集热器,可降低光伏板的散热需求,从而降低循环工质质量流量,对提高系统发电能力有积极作用,该系统可将单纯光伏发电效率提高9百分点;同时,分频效率和太阳能电池吸收波段对综合供电系统的总效率影响较大。