微通道内流体流动的阻力特性

本文重点研究了微通道内入口效应和粗糙度等因素对流动阻力特性的影响。实验结果表明;对于粗糙度3.5%,水力直径为345μm的微圆管,入口段长度比常规管道短,转捩雷诺数Re_c位于2000～2300,其内入口效应并不影响微管内流体从层流到湍流转捩的拐点位置;内径为112.6μm和169.8μm,高宽比为0.59和0.63以及粗糙分别为1.29%和2.03%的矩形微通道内流动由层流向湍流的转捩发生在Re≈1600～2800之间。实验结果表明,微尺度是微管内流体转捩提前的必要条件,但不是充分条件,拐点提前是由多因素综合作用所造成的结果,其机理有待于进一步研究。     

流体变物性对细矩形通道流动和传热的影响

以细矩形通道为研究对象,基于CFD的二次开发技术,采用流体固体共轭传热技术数值研究了流体变物性和入口平均物性对细矩形通道平均流动和平均传热特性的影响,同时研究了流体变物性对细通道转捩雷诺数的影响,为进一步揭示微细通道的流动和传热机理提供了依据.     

粗糙纳通道内流体流动与传热的分子动力学模拟研究

为研究粗糙表面对纳尺度流体流动和传热及其流固界面速度滑移与温度阶跃的影响,本文建立了粗糙纳通道内流体流动和传热耦合过程的分子动力学模型,模拟研究了粗糙通道内流体的微观结构、速度和温度分布、速度滑移和温度阶跃并与光滑通道进行了比较,并分析了固液相互作用强度和壁面刚度对界面处速度滑移和温度阶跃的影响规律. 研究结果表明,在外力作用下,纳通道主流区域的速度分布呈抛物线分布,由于流体流动导致的黏性耗散使得纳通道内的温度分布呈四次方分布. 并且,在固体壁面处存在速度滑移与温度阶跃. 表面粗糙度的存在使得流体剪切流动产生了额外的黏性耗散,使得粗糙纳通道内的流体速度水平小于光滑通道,温度水平高于光滑通道,并且粗糙表面的速度滑移与温度阶跃均小于光滑通道. 另外,固液相互作用强度的增大和壁面刚度的减小均可导致界面处速度滑移和温度阶跃程度降低. 关键词： 速度滑移 温度阶跃 流固界面 粗糙度     

微通道冷却器内流动和传热特性的数值模拟

为满足固体激光器用微通道冷却器的换热要求, 根据冷却器结构分别建立了二维和三维物理模型, 利用计算流体力学方法首先对比研究两者的流动特性, 然后考察雷诺数和玻片生热量对微通道流动和传热特性的影响。结果表明:对于类似大平板间的矩形微通道层流流动区域, 其流动及传热特性可直接采用二维简化模型进行模拟分析;对于重点关注的转捩区, 采用三维模型模拟分析更好;当雷诺数增大到转捩点, 流体的传热效果得到明显增强;随着雷诺数的增大, 玻片生热量对通道内最低压力需求的影响逐渐减小;不同玻片生热量对微通道流动影响不可忽略, 对努赛尔数和通道总压降基本无影响。     

表面粗糙度的分形特征及其对微通道内层流流动的影响

基于分形几何学,研究了表面粗糙度的分形特征.采用Weierstrass- Mandelbrot函数对多尺度自仿射的表面粗糙度进行了描述;建立了微通道内层流流动的三维模型并对表面粗糙度的影响进行了数值模拟,分析了雷诺数、相对粗糙度和分形维数对流动阻力特性的影响.研究结果表明,与常规尺度通道不同,粗糙微通道的Poiseuille数不再是常数,而是随雷诺数近似线性增加;相对粗糙度越大,流动产生的回流和分离所导致的流动压降越明显.在相同的相对粗糙度下,粗糙表面的分形维数越大,表面轮廓变化就越频繁,这也将导致流动阻 关键词： 粗糙度 层流阻力系数 微通道 分形     

纳米通道粗糙内壁对流体流动行为的影响

纳米流动系统具有高效、经济等优势,在众多领域具有广泛的应用前景.因该类系统具有极高的表面积体积比,致使界面滑移效应对流动具有显著影响.本文采用分子动力学方法以两无限大平行非对称壁面组成的Poiseuille流动为对象,分析了壁面粗糙度与润湿性变化对通道内流体流动的影响.对于不同结构类型的壁面,需要通过水动力位置来确定固液界面位置,准确计算固液界面位置有助于更好地分析界面滑移效应.研究结果表明,上下壁面不对称会引起通道内流场参数分布的不对称,壁面粗糙度及润湿性的变化会影响近壁面附近流体原子的流动特性,由于壁面凹槽的存在,粗糙壁面附近的数密度分布低于光滑壁面一侧.壁面粗糙度及润湿性的变化会影响固液界面位置,肋高变化及壁面润湿性对通道中速度分布影响较大,界面滑移速度及滑移长度随肋高和润湿性的增大而减小;肋间距变化对通道内流体流动影响较小,界面滑移速度和滑移长度基本保持恒定.     

粗糙度与气体稀薄性对微尺度流动特性的影响

对氮气和氦气在粗糙微通道以及光滑微通道内流动进行了阻力特性实验研究。实验结果表明,即使在较小的相对粗糙度高度下,由于微通道中的粗糙度分布密集,会极大地增加流动阻力,这是导致文献中微通道流动阻力系数实验值相互偏差的主要原因之一;而对于滑移区的气体流动,气体稀薄性使流动阻力明显减小而导致流量增加。     

内置弹簧线圈平板通道流动传热实验研究

提出了在平行平板通道中等间隔布置轴线垂直于流动方向的弹簧线圈以强化传热的方法,并对其换热和流动阻力特性进行了实验研究。实验分别对水-水换热和水-油换热进行了测试,得到了所测参数范围内水侧和油侧的换热及阻力关联式。通过与典型人字形板式换热器实验结果的对比,分析了弹簧线圈对不同黏性流体流动换热的影响,得出平板间填充弹簧线圈的结构更适用于高黏性流体的流动换热。     

光滑矩形微通道液体单相流动和传热的数值研究

采用CFD方法对水在矩形光滑微通道内的流动和传热特性进行了数值模拟.计算结果表明微通道的长径比、当量直径、高宽比和孔隙率都对其流动和传热有着不同程度的影响.在保持长径比大于70而使流动的入口效应可忽略的前提下,分别模拟了当量直径,高宽比和孔隙率对微通道流动和传热的影响,得到了各种工况下的流动和传热规律.     

变截面微小通道传热特性的研究

为研究变截面微小通道的流动和传热特性,设计了9种不同微小尺度的变截面通道。采用实验研究的方法,得出了流体在变截面微小通道中的传热特性以及与常规尺度通道的差异。分别比较了通道的进出口宽度比、通道的高宽比对变截面、微小尺度通道传热特性的影响。根据实验结果,得到了描述水在变截面微小通道中的流动及传热特性的无量纲关联式。     

入口段协同式翅片强化单相对流换热数值模拟

对二维平行平板通道入口段内设置协同式折流翅片的层流换热和流动特性进行了数值模拟。研究了翅片倾角以及通道长高比L／H对换热和阻力特性的影响。研究的Re数范围为100-1000。在翅片倾角β=0°-21.8°范围内, 通道内平均Nu数随翅片倾角β的增大而单调增大,随通道长度增大而单调减小。如果从相同泵功下强化效果来评价, 则是小倾角翅片较优,并且随Re数增大强化效果减弱。另外,分析表明,场的协同确实与换热率密切相关。     

Flow and Heat Transfer in Rough Micro Steel Tubes

Abstract

This article investigates the flow and heat transfer characteristics in micro steel tubes with inner diameters of 168 μm, 399 μm and relative roughness of 3.5% and 2.7%, respectively, by measuring the friction factors and the Nusselt number from laminar state to transitional state. Experiments show that the experimental Nusselt numbers are less than those predicted by the classical laminar correlation due to the effect of the variation of the thermophysical properties with temperature when Reynolds number is low. As the Reynolds number is higher than 800, the experimental Nusselt number are 25–50% higher than the predictions of the classical laminar and transitional correlations due to the effects of the roughness and the entrance length. The transition from laminar to turbulent flow occurs at the Reynolds number of 1,100–1,500.     

Experimental Investigation of the Effect of Flow Arrangements on the Performance of a Micro-Channel Heat Sink

Abstract

An experimental study is carried out to investigate the effect of entrance and exit conditions that prevail due to different flow arrangements on the thermal performance of a copper micro-channel heat sink. Three flow arrangements—U-type, S-type, and P-type—were considered for the analysis with a test piece having inlet and outlet plenum dimensions of 10 mm × 30 mm × 2.5 mm with an array of parallel micro-channels having an individual width of 330 μm and a uniform channel depth of 2.5 mm. Performance evaluations for different flow conditions at inlet and outlet plenums were made by maintaining constant heat supply at 125 W, 225 W, and 375 W with varying Reynolds number ranging from 224 to 1,121. Nusselt number and pressure drop were computed by measuring temperature difference and pressure drop across the inlet and outlet plenum for various test combinations. Maximum heat transfer was observed for the U-type flow arrangement, followed by the P-type and S-type; maximum pressure drop was noted for the S-type flow arrangement, followed by the U-type and P-type arrangements for a constant Reynolds number. A detailed analysis of the experimental results indicate that from a pressure drop point of view, the P-type flow arrangement is preferred, whereas from the heat transfer point of view, the U-type is found to be a better option.     

速度滑移和温度阶跃对微尺度流动和换热的影响

1前言近年来，对微尺度换热器和微型槽道内介质的流动和换热的研究日益引起人们的重视[1]。但各研究者的结论却大相径庭[2-6],其流动与换热规律，迄今无统一认识。本文认为：随着流道尺寸的减小，边界效应的影响不可忽视。基于此，通过引入Knudsen数，以局部充分发展流动假设为前提，在N－S方程基础上，数值模拟了微槽道的流动与换热情况，并与国外的实验结果进行了对比分析[5-6].2压力分布方程的导出及与实验结果的比较首先从平行平板间的不可压缩流体流动分析入手，流动方向为X向。连续性方程可简化为：引入速度滑移边界条件：由式（1）…     

翅片长度对纵向翅片扁管换热器换热性能的影响

纵向翅片扁管换热器是一种新型换热器。气体沿扁管轴向方向流动,与管内介质的流动路径平行,可强化传热,减少气侧阻力,不易积灰结垢,维护方便。利用数值模拟方法,以纵向翅片扁管换热器为研究对象,分析翅片长度对换热性能的影响,对换热器的翅片长度进行优化。研究表明,不同进口风速对应不同的有效纵向翅片长度。随着进口风速的增大,翅片的有效长度越大。     

压缩性和稀薄性对微通道气体流动换热的影响

本文对于微通道内稀薄气体二维可压缩滑移流动建立了数学模型,采用连续介质流动控制方程与壁面速度滑移和温度跳跃边界条件相组合描述该问题,并利用SIMPLE算法求解,所得结果与文献进行了对比,在相同条件下得到了较高的一致性.文中利用该计算模型的计算结果分析了气体的压缩性和稀薄性对微通道气体流动的影响,结果表明在所计算工况下稀薄性的影响更大。     

Flow boiling heat transfer of water in microchannel heat sink

The flow boiling heat transfer of water in a microchannel heat sink with variable initial vapor quality at the inlet is investigated. The stainless steel microchannel heat sink contains ten 640 × 2050 μm channels with a length of 120 mm; the wall roughness is 10 μm. The data on the local heat-transfer coefficient distribution in heat sink length are obtained in the range of mass fluxes from 30 to 90 kg/m²s, heat fluxes from 40 to 170 kW/m², and vapor qualities from 0 to 1. The heat transfer instability associated with dry spots resulting from insufficient wetting of channel walls introduces substantial contribution to the heat transfer mechanism and leads to decreasing heat transfer in heat sink length downward the flow. The developed method for calculating the flow boiling heat transfer of water in a microchannel heat sink allows more accurate prediction of heat transfer drop than available methods.