变物性条件下基于(火积)理论的圆柱体热源构形研究

建立了导热基座上的三维圆柱体热源层流散热模型,考虑空气的变热物性,研究了热源半径、强度和位置以及热源和基座的热导率对当量热阻和最大热阻的影响。结果表明:当给定热源强度和热导率时,存在一个临界半径使得当量热阻和最大热阻取最大值;当量热阻和最大热阻均随热源位置从入口处向出口处移动而增加。当给定热源半径和位置时,提高热源和基座的热导率,当量热阻和最大热阻均减小;热源强度不影响当量热阻和最大热阻随半径的变化趋势。     

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.     

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。     

换热器性能分析新方法

鉴于以加热或冷却为目的的热量传递过程,其不可逆性应以NFDA1的耗散率来度量,为此可以用换热器中的NFDA1耗散率定义换热器的当量热阻,它既包含换热器中的传热热阻,还包含了由非逆流形式和非平衡流引起的附加热阻. 换热器当量热阻的倒数称之为换热器的当量热导. 通过NFDA1耗散定义的换热器当量热阻建立了传热不可逆性与有效度的联系,并导得了换热器有效度与当量热导（热阻）和热容量流比的统一函数关系式,它适用于不同流程布置的换热器. 因此,有效度-热导（热阻）方法能更方便于不同类型换热器性能的分析和比 关键词： 换热器 热阻 耗散 熵产     

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。     

微、纳米尺度下圆盘(火积)耗散率最小构形优化

基于构形理论, 以(火积)耗散率最小为优化目标, 在微、纳米尺度下对圆盘导热问题进行构形优化, 得到尺寸效应影响下的无量纲当量热阻最小的圆盘构造体最优构形. 结果表明: 在微、纳米尺度下, 尺寸效应影响下的圆盘构造体最优构形与无尺寸效应影响时的圆盘构造体最优构形有明显区别. 存在最佳无量纲高导热材料通道长度使无量纲当量热阻取得最小值; 随着扇形单元体数目的增大, 最小无量纲当量热阻先减小后增大, 存在最佳的扇形单元体数目使得无量纲当量热阻取得双重最小值, 这与常规尺度下圆盘构造体相应的性能特性明显不同. (火积)耗散率最小的圆盘构造体(火积)耗散率比最大温差最小的构造体(火积)耗散率降低了7.31%, 也即圆盘构造体的平均传热温差降低了7.31%. 微、纳米尺度下基于(火积)耗散率最小的圆盘构造体最优构形能够降低圆盘构造体的平均传热温差, 同时有助于提高其整体传热性能. 本文工作有助于进一步拓展(火积)耗散极值原理的应用范围. 关键词： 构形理论 (火积)耗散率最小 微、纳米尺度 广义热力学优化     

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(火积)理论的“+”形高导热构形通道实验研究

基于构形理论和■理论,对"+"形高导热通道的方形构造体开展导热实验研究,并对不同优化目标和不同高导热通道布置形式下的构造体导热性能进行比较.结果表明:对于"+"形高导热通道的方形构造体,实验和数值计算所得到的构造体最高温度点均位于"+"形高导热通道两分支之间,实验和数值计算所得到的构造体平均温差和■耗散率的误差均在可接受范围内,这从定性和定量的角度证明了导热构形优化结果的正确性.与"H"形高导热通道的方形构造体相比,构造体内高导热通道采用一级"+"形布置使得其导热■耗散率得到降低.■耗散率最小的一级"+"形高导热通道构造体最优构形与最大温差最小的构造体最优构形相比,前者的导热■耗散率降低了5.98%,但最大温差提高了3.57%.最大温差最小目标有助于提高构造体的热安全性,■耗散率最小目标有助于提高构造体的整体导热性能.在保证热安全性能的前提下,实际微电子器件设计中可采用■耗散率最小的构造体最优构形以提高其整体导热性能.     

基于拉曼热测量技术的铜基复合物法兰GaN基晶体管的热阻分析

采用拉曼热测量技术结合有限元热仿真模型,分析比较新型铜/石墨复合物法兰封装与传统铜钼法兰封装的GaN器件的结温与热阻,发现前者的整体热阻比铜钼法兰器件的整体热阻低18.7%,器件内部各层材料的温度分布显示铜/石墨复合物法兰在器件中的热阻占比相比铜钼法兰在器件中的热阻占比低13%,这证明使用高热导率铜/石墨复合物法兰封装提高GaN器件热扩散性能的有效性.通过对两种GaN器件热阻占比的测量与分析,发现除了封装法兰以外,热阻占比最高的是GaN外延与衬底材料之间的界面热阻,降低界面热阻是进一步提高器件热性能的关键.同时,详细阐述了使用拉曼光热技术测量GaN器件结温和热阻的原理和过程,展示了拉曼光热技术作为一种GaN器件热特性表征方法的有效性.     

Thermo-physical characteristics during the flow and heat transfer analysis of GO-nanoparticles adjacent to a continuously moving thin needle

Nanofluids have shown significant promise in thermal enhancement of many industrial systems and they have been used extensively in energy applications during recent years. Keeping such applications in mind, the present work exhibits a two-dimensional numerical simulation for the boundary layer flow of Graphene oxide (GO)-nanofluids adjacent to a thin needle along with heat transfer. Influence of heat generation/absorption and viscous dissipation have been included to explore the heat transport analysis. The nanofluid flow is generated due to a continuously moving horizontal thin needle. The non-linear expressions governing the flow and heat transfer analysis are changed into dimensionless form by introducing new dimensionless variables. The novelty of current study is to predict the multiple numerical solutions for dimensionless velocity and temperature fields. Numerical computations and graphical delineations were done with the assistance of MATLAB software. This study explores the impacts of several dimensionless key parameters, like, magnetic parameter, Prandtl number, nanoparticles volume fraction and ratio of needle's velocities on the flow and thermal distributions. The computational results have proved that the fluid temperature enhances for higher values of nanoparticles volume fraction while an opposite is true for velocity distributions. In addition, the computed outcomes revealed that for the case of upper branch solution, significant reduction in skin-friction coefficient is seen for higher magnetic parameter.     

Constructal Equivalent Thermal Resistance Minimization for Tau-Shaped Fin

With the aid of constructal theory and entransy theory, a Tau-shaped fin (TAUSF) is investigated in this paper, and the widths of the bend end and elemental fins are assumed to be different. The construct of the TAUSF is optimized by the minimum equivalent thermal resistance (ETR) obtained by entransy dissipation rate. The constraints of total enveloping volume and fin material volume are considered. The results show that in the specified range of width ratio, the twice minimum ETR of the TAUSF can be yielded by an optimal width ratio and an optimal length ratio. In addition, comparing the optimal performance of the TAUSF with the counterpart of a T-shaped fin, the former sacrifices a small amount of heat transfer performance and its stiffness increases due to its structure with the bend end. The optimal structure of the TAUSF yielded from ETR minimization is conspicuously different with the counterpart yielded from maximum thermal resistance minimization. Comparing the thermal performances of the two optimal constructs, the ETR of the former optimal construct is declined by 10.58%, whereas the maximum thermal resistance is augmented by 5.22%. The former optimal construct can lead to the uniformity of temperature gradient and the reduction in thermal stress, and can guide the engineering designs of practical fins.     

浮升力对管内水过冷流动沸腾传热特性的影响研究

基于已知的2087组水的过冷流动沸腾传热实验数据,通过努塞尔数(Nu)和格拉晓夫数(Gr)的关系探讨了不同流动方向和加热方式下浮升力对过冷流动沸腾传热性能的影响。对上壁面单边加热水平矩形管内过冷流动沸腾传热进行了实验研究。实验结果表明,向上的浮升力阻碍了气泡向流体中的扩散,使得传热恶化。在增加流速、增大压力和减小过冷度的条件下,Nu均随Gr增加,使过冷流动沸腾传热得到强化。     

热漏对换热器(火积)耗散最小化的影响

建立了存在热漏的换热器的传热过程模型.假定热流体与冷流体间的传热以及冷流体与外界环境间的热漏均服从牛顿传热定律,在冷流体净传热量一定的条件下,应用最优控制理论导出了换热过程(火积)耗散最小时热流体温度和冷流体温度的最优构型,并将最优路径分别与热流体温度一定和热流率一定的传统传热策略进行了比较.研究结果对于实际换热器的优化设计和最优运行具有一定的理论指导意义.     

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     

Numerical modeling of nanofluid flow and heat transfer in a quartered gearwheel-shaped heat exchanger using FVM

The numerical modeling of natural convection fluid flow and heat transfer in a quarter of gearwheel-shaped heat exchanger is carried out. The heat exchanger is included with internal active square bodies. These bodies have hot and cold temperatures with different thermal arrangements. Three different thermal arrangements are considered and showed with Case A, Case B and Case C. The CuO-water nanofluid is selected as operating fluid. The Koo-Kleinstreuer-Li (KKL) correlation is utilized to estimate the dynamic viscosity and thermal conductivity. In addition, the shapes of nanoparticles are taken account in the analysis. The Rayleigh number, nanoparticle concentration and thermal arrangements of internal active bodies are the governing parameters. The impacts of these parameters on the fluid flow, heat transfer rate, local and total entropy generation and heatlines are studied, comprehensively. The results show that the heat transfer rate enhances with increasing of Rayleigh number and nanoparticle concentration. Moreover, the thermal arrangement of internal active bodies has considerable effect on the heat transfer between heat sources and heat sinks. On the other hand, the total entropy generation enhances and decreases with increasing of Rayleigh number and nanoparticle concentration, respectively.     

振荡流共轭换热格子-Boltzmann模拟

振荡流共轭换热现象广泛存在于热声热机等工程应用中.基于双分布格子-Boltzmann模型,对平行平板间振荡流共轭换热进行了数值模拟.通过假定共轭界面处流体和固体的未知内能分布函数均为对应的平衡态滑移修正格式,提出了一种处理共轭换热边界的新方法.模拟结果表明,该方法可以保证共轭界面上温度连续和热流连续.分析了不同流体与固体导热系数比情况下振荡流共轭换热的速度场、温度场以及热流分布的特点.