离散发热器件基于(火积)耗散率最小和最高温度最小的构形优化比较

建立了导热基座上圆柱体离散发热器件的三维湍流散热模型,基于构形理论,考虑空气变物性及可压缩性和黏性耗散,研究了器件材料的热导率、热源强度和流体流速对器件最高温度、基于(火积)耗散定义的当量热阻和平均Nu数的影响.结果表明:在总发热功率一定的条件下,以器件最高温度和当量热阻为性能指标进行热设计,均存在最优热源强度分布使得散热性能最优.当各热源强度相同且热源热导率小于基座热导率时,提高热源热导率可明显改善散热性能;将热源热导率沿流动方向从低到高布置可降低器件最高温度,而将热源热导率均匀布置可使当量热阻最小.所得结果可为实际热设计中不同材质和不同发热率的电子器件最优布置提供理论支撑.     

矩形肋片热沉(火积)耗散率最小与最大热阻最小构形优化的比较研究

针对矩形肋片热沉, 分别以最大热阻最小化和基于(火积)耗散定义的当量热阻最小化为优化目标, 采用二维传热模型并结合有限元数值仿真对其进行构形优化, 比较了两种目标下的热沉最优构形, 并分析了全局参数(综合了对流换热系数、肋片占据的总面积及其热导率的函数)和材料占比对两种目标(最大热阻、当量热阻)及其对应最优构形的影响. 结果表明: 热沉外形固定时, 两种目标下均不存在最优的肋片厚度; 热沉外形自由变化时, 两种目标下的最优构形存在一定的差异. 此外, 全局参数对两种目标下的最优构形均没有影响, 而材料占比对两种目标下的最优构形均有较大影响. 提高全局参数和材料占比均可以减小最大热阻最小值和当量热阻最小值, 但对两种目标的减小程度不同. 总体上, 调节热沉结构参数使当量热阻最小, 可以同时获得很好的局部极限性能; 而调节热沉结构参数使最大热阻最小, 获得的整体平均散热性能却较差. 因此, 对本文热沉模型进行优化时, 以当量热阻最小化为优化目标更合理.     

基于(火积)耗散率最小的“盘点”冷却流道构形优化

基于构形理论, 以(火积)耗散率最小为优化目标, 对冷却流道的“盘点”传热问题进行构形优化, 得到冷却流道的圆盘构造体最优构形. 结果表明: 对于扇形单元体, 在其泵功率给定的条件下, 存在最佳展弦比使得扇形单元体无量纲当量热阻取得最小值; 对于一级树状圆盘, 在其总泵功率给定的条件下, 存在一级与单元级最佳流道宽度比和扇形单元体最佳无量纲半径使 得一级树状圆盘无量纲当量热阻取得最小值, 且一级与单元级最佳流道宽度比仅与单元体分支数有关. 当中心圆盘半径等于0时, 一级树状圆盘最终退化成辐射状圆盘, 此时一级树状圆盘半径为临界半径. 当一级树状圆盘半径大于临界半径时, 需对圆盘冷却流道采用树状布置, 反之则采用辐射状布置. 存在最佳单元体分支数使得无量纲当量热阻取得最小值, 这与高导热材料通道的“盘点”导热构形优化结果有明显区别. (火积)耗散率最小和最大温差最小的一级树状冷却流 道圆盘构造体最优构形是不同的. 与最大温差最小的冷却流道圆盘构造体相比, (火积)耗散率最小的冷却流道圆盘构造体当量热阻得到极大降低, 其整体传热性能得到明显提高. 因此, (火积)耗散极值原理与对流构形优化相结合, 有助于进一步揭示(火积)耗散极值原理在传热优化方面的优越性. 关键词： 构形理论 (火积)耗散率 冷却流道 广义热力学优化     

基于当量热阻的ORC工质选择方法研究

根据有机朗肯循环(ORC)蒸发器中夹点出现的位置,将其换热过程分为夹点出现在预热起始点(PPP)、夹点出现在工质汽化起始点(VPP)、以及夹点同时出现在预热起始点和汽化起始点(PVPP)三种情况,定义吸热工质和热源流体的热容流率之比为热容比ε,经分析发现PPP,PVPP,VPP三种换热过程分别对应ε1,ε=1,ε1的情况,即可用ε判断夹点出现的位置.讨论夹点温差一定时,热源温度和蒸发温度对夹点位置的影响,发现随着热源温度和蒸发温度的升高,蒸发器的换热过程逐渐由VPP(ε1)变化到PVPP(ε=1)再变化为PPP(ε1).使用基于(火积)耗散率定义的当量热阻来度量换热过程的不可逆性,对比分析三种换热过程对热回收量和当量热阻的影响情况,发现换热过程为PVPP(ε=1)时蒸发器热回收量最大、当量热阻最小.最后对于热源条件确定的蒸发器,以ε=1为目标函数,同时对循环工质和运行参数进行优化。     

强迫对流冷却圆柱体离散热源的构形优化研究

在强迫对流条件下,建立了导热基座上的三维圆柱体离散热源散热模型,以最高温度最小化为目标,以热源的高度比、间距比和半径比为优化设计变量,开展了构形优化研究。结果表明:等热源强度的热源阵列沿气流方向按半径由大到小、高度由低到高、间距由疏到密的布置可降低离散热源的最高温度,即多尺度非均匀分布的热源阵列,有利于防止热源烧蚀。对于一些特定高度比和间距比的热源阵列,当离散热源等半径时,而不再是热源半径沿气流方向逐渐增大或者逐渐减小时最高温度取得最小值。这说明,不是任意多尺度结构设计就可提高热源散热性能,而是不同几何尺寸间存在最佳配合即最优构形以达到最优散热性能。     

考虑界面接触热阻的一维复合结构的热整流机理

建立了考虑变截面、变热导率及界面接触热阻效应的组合热整流结构的温度场及热整流系数的理论模型和有限元解.数值算例证明了本文模型及算法的可靠性,进而通过参数影响研究确定了若干几何及材料参数对结构热整流系数的影响规律,揭示界面接触热阻对热整流效果的影响机理.研究结果表明长度比、截面半径变化率、热导率、边界条件温差和界面接触热阻等因素必须通过优化设计才能得到最大的热整流系数,同时界面接触热阻的引入也为调控热整流系数提供了一条新的途径.     

变温热源布雷顿循环的功率密度优化

计入工质与高、低温侧换热器的热阻损失及压气机和涡轮机中的不可逆压缩和膨胀损失,用有限时间热力学方法,导出了恒温热源条件下不可逆布雷顿循环功率密度与压比间的解析式,借助于数值计算,研究了高、低温侧换热器的热导率分配和工质与热源间的热容率匹配对最大功率密度的影响。     

包含倾斜晶界的双晶ZnO的热输运行为

用嵌入位错线法和重合位置点阵法构建含有小角度和大角度倾斜角的双晶氧化锌纳米结构.用非平衡分子动力学方法模拟双晶氧化锌在不同倾斜角度下的晶界能、卡皮查热阻,并研究了样本长度和温度对卡皮查热阻和热导率的影响.模拟结果表明,晶界能在小角度区域随倾斜角线性增加,而在大角度区域达到稳定,与卡皮查热阻的变化趋势一致.热导率随样本长度的增加而增加,卡皮查热阻表现出相反的趋势.然而随着温度的增加,热导率和卡皮查热阻都减小.通过比较含5.45°和38.94°晶界样本的声子态密度,发现声子光学支对热传导的影响不大,主要由声子声学支贡献,大角度晶界对声子散射作用更强,声学支波峰向低频率移动.     

考虑接触热阻的纳米颗粒堆积热导率的分析

本文首先使用Callaway热导率模型对SiO₂纳米颗粒的热导率进行了近似计算,然后耦合堆积纳米孔隙内的导热和辐射、颗粒接触热阻,基于颗粒堆积单元结构模型的一维传热分析,最终推导得到了颗粒堆积有效热导率关于颗粒直径和温度、堆积孔隙率、颗粒热导率、气相热导率、辐射传热和接触热阻的关系式,并用该式进行了相关讨论。研究结果表明,对于纳米颗粒堆积,界面接触热阻不容忽略;在低孔隙率和颗粒不参与辐射的条件下,由于受到接触热阻的影响,存在最佳孔隙率（或密度）使得堆积热导率存在最大值。     

抛物量子点中弱耦合磁极化子的性质

应用线性组合算符和幺正变换方法研究了抛物量子点中磁极化子的基态性质。得出基态能和基态束缚能随有效束缚强度增大而减小,随回旋频率增大而增大。当有效柬缚强度给定,基态能量随电子-体纵光学声子耦合强度增加而减小。当有效束缚强度l0>0.3时,电子-体纵光学声子耦合强度的变化对量子点中弱耦合磁极化子的基态能量的影响变得显著。当有效束缚强度l0<0.3时,电子-体纵光学声子耦合强度的变化对基态能量影响很小。由于有效束缚强度与量子点受限强度的平方根成反比,所以量子点受限越强,基态能量、基态束缚能越大,电子一体纵光学声子耦合强度和磁场的变化对量子点的影响相对越小;当量子点受限变弱时,电子-声子耦合强度变化对量子点的影响变大,磁场对量子点的影响也变大,所以在量子点中,极化子对量子点的影响不容忽略。     

含内热源碳纳米管的热导率研究

采用分子动力学方法研究了含内热源单壁碳纳米管（5，5）的热导率，并与恒温差法结果进行了比较。研究发现，尽管两种模拟方法所得热导率均随管长增加而增加，但内热源法计算的热导率比恒温差法计算的热导率小，最大差别可达一倍左右。本文结合声子动力学理论建立了简单一维导热模型，较好地解释了这一现象。     

Y形肋片火积耗散率最小构形优化

结合（火积）耗散极值原理和构形理论,以基于（火积）耗散率的当量热阻最小化为目标,采用解析解法对Y形肋片进行了构形优化,分析了复合参数a（关于对流换热系数、肋片的包络面积及其热导率的简单函数）和肋片占比φ₁对Y形肋片优化的影响,并比较Y形和T形肋片的整体传热性能的优劣。结果表明,增大a和增大φ₁可降低肋片的无量纲当量热阻,改善其整体传热性能。总体积和肋片材料的体积都相同时,Y形肋片无量纲当量热阻要比T形肋片的无量纲当量热阻小很多。也就是说,Y形肋片优于T形肋片,更能提高系统的整体传热性能。     

碳纤维与热沉间接触热阻随温度变化的实验研究

由于微纳米材料特征尺寸小,难以测量其与热沉间的接触热阻。本文利用拉曼光谱测量不同温度下单根PAN基碳纤维的热导率及其与导电银胶、焊锡和硅油间的接触热阻。结果表明,在实验温度范围内其热导率随温度的降低而增大;接触热阻随温度的变化规律与接触物质有关。     

定向碳纳米管/橡胶复合材料导热性能研究

基于连续介质理论建立了定向碳纳米管/橡胶(CNTs/Rubber)复合材料的代表体积元(RVE)模型,借助有限元方法(FEM)进行数值计算获得复合材料的等效热导率。将数值计算结果与Nielsen模型与Ce-WenNan模型预测值对比,验证了模型的有效性。基于此模型研究了CNTs体积分数及界面热阻对复合材料导热性能的影响。研究发现,在低填充量(0.2%~1%)下,复合材料的热导率随着填充量的增加而增大,且增大幅度随着体积分数的增大而逐渐减小;界面热阻的存在阻碍了CNTs与橡胶基体之间的热传递,对复合材料的热导率有很大的影响,另外在不同体积分数下,随着界面热阻的增大,复合材料热导率都先开始减小,当界面热阻降低到一定大小时,复合材料的热导率随着界面热阻的增大都基本保持不变。     

原位测量固体材料热导率的改进热探针方法

热导率是一个重要的热特性参数,它的测量方法包括稳态法和瞬态法。然而,各测量方法由于接触界面均存在非完美热接触,导致接触热阻无法忽略,进而降低热导率测量的准确性。于是,本研究提出了一种改进的热探针方法,即原位浇筑单针法,来降低接触热阻的影响。同时我们还采用了另外四种常用的热导率测量方法测量六种材料的热导率。并且,为了研究接触热阻对热导率测量的影响,我们采用了涂抹导热硅脂的双针法和单针法测量材料热导率。研究表明,原位浇筑单针法的测量结果与其它四种方法热导率的测量结果相一致,并且,原位浇筑单针法可以有效地减少接触热阻,从而提高热导率测量的准确度。     

基于(火积)耗散率最小的复杂肋片对流换热构形优化

基于构形理论, 以基于(火积)耗散率定义的当量热阻最小为优化目标对复杂肋片进行构形优化, 得到同时考虑肋片导热和对流换热(火积)耗散性能的肋片最优构形, 并比较不同形状和不同优化目标下的肋片最优构形. 结果表明: 存在最佳单元级直肋、中部空腔以及肋片末梢高度和长度比使得复杂肋片当量热阻取得三重最小值. 当量热阻最小的复杂肋片最优构形与T-Y形肋片最优构形相比, 复杂肋片结构使得肋片整体传热性能大大提高. 当肋片传热为二维传热且根部较宽时, 肋片根部温度越不均匀, 当量热阻最小和最大热阻最小的复杂肋片最优构形差别越大. 在保证热安全性的前提下, 工程上对肋片进行优化设计时可选择当量热阻最小的肋片构形设计方案以降低其平均传热温差、提高整体传热性能. 本文从传热优化角度为复杂肋片的优化设计提供了参考.     

两相复合材料有效热导率的理论推导

复合材料有效热导率的解析表达式一直是传热问题中人们想要解决的问题.本文选用合适的单元体,采用热阻模型和积分平均方法,分别对分散相为球体和圆柱体的两相复合材料的有效热导率进行了推导.对于多孔复合材料,当孔隙率较大或温度较高时辐射换热的影响不能忽略,本文分析了气孔为球体或圆柱体时辐射换热对其有效热导率的影响.将计算所得有效热导率与相关实验数据进行了比较,结果表明两者吻合较好,证明了公式的准确性.     

连续可变偏振光注入垂直腔面发射激光器的偏振开关及双稳特性

基于垂直腔面发射激光器(VCSELs)的自旋反转模型(SFM),理论研究了连续可变偏振光注入VCSEL所产生的偏振开关及双稳特性。研究结果表明,在合适的注入参数设置下,通过连续正向扫描和反向扫描注入光偏振角,VCSEL的偏振分量可产生由偏振角度诱导产生的偏振开关(PS)及偏振双稳(PB)效应,且正反向PS点位置随扫描周期的变化而发生偏移,进而导致PB区域宽度发生改变。当注入强度一定时,正反向PS点位置随扫描周期的增大呈现相反的变化趋势,且更小的扫描周期和更大的频率失谐均有助于增加PB区域的宽度;对于频率失谐给定的情形,注入光强度的变化对PS和PB宽度也有着较大的影响,较小的注入强度及扫描周期更易于PB宽度的扩展。当给定注入强度和频率失谐时,正反向PS点所对应的偏振角度随偏置电流的增强均呈现近似增大的趋势,而PB区域宽度则表现出较大的起伏,且扫描周期越大,对应的PB宽度越小。此外,自旋反转速率也会影响VCSEL输出偏振分量的PS和PB特性,当注入参数一定时,较小的自旋反转速率更易于产生较大的PB宽度。     

基于多块格子Boltzmann方法模拟接触热阻

本文基于OpenMP并行语言,采用拼接式的多块格子Boltzmann方法研究了接触压力、粗糙度、间隙介质导热系数对接触热阻的影响规律。结果表明:铝之间的接触热阻随着接触压力的增加而降低,随着粗糙度的增加而增加;当块体气凝胶之间的间隙填充空气时,气凝胶之间的接触热阻随压力的增加变化不大;而当气凝胶间隙趋于真空时,接触热阻随压力的增大而降低;间隙介质的气体导热对于接触热阻起着关键的作用,在低接触压力时。气凝胶间隙趋于真空时的接触热阻是填充空气的大约50倍。     

高压烧结镀Cr、Ti膜金刚石/铜复合材料热导率研究

 采用磁控溅射方法,在金刚石表面镀覆活性金属Cr膜和Ti膜,在高温高压下合成了镀活性金属膜金刚石/铜复合材料。实验发现,活性金属的加入增强了金刚石与铜界面间的结合强度,减少了界面热阻,提高了复合材料的热导率。复合材料热导率随着金刚石体积分数的增加而降低,随着金刚石的粒度增大而提高。这主要是由界面热阻引起的,可以通过增大金刚石粒度和改善界面状态来提高复合材料热导率。