多孔介质流动沸腾微观模型实验研究

多孔通道内流动沸腾广泛应用于热管、高效换热器、航天热防护等领域,认识孔隙尺度相变典型行为及特点有助于理解多孔介质内沸腾传热机理,进而改进多孔介质内部流体相变模型。基于此,本文搭建了二维多孔介质内流动沸腾实验台,对微米级多孔通道内部流动沸腾现象及气泡行为进行研究。实验发现在毛细力、黏性力和惯性力的共同作用下,多孔介质内的流动沸腾形态显著区别于直通道内的沸腾,存在局部气泡堵塞、合并和液膜蒸干、再润湿等行为。该研究有助于增强对相变过程的理解,并为多孔结构优化设计提供指导。     

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。     

三角形微通道流动冷凝的实验研究

实验研究了三角形硅微通道中的流动冷凝.通道中的冷凝流型沿程主要有珠状流、环状流、喷射流和弹状-泡状流等.在同一通道中,喷射流位置随着工质流量的增大而延后;在相同蒸气入口雷诺数下,喷射流位置则随着通道尺度的增大而延后.喷射流频率随着蒸气入口雷诺数和冷凝液韦伯数的增大而增大.较小水力直径的三角形通道中的流动冷凝不稳定性较高.冷凝通道的壁面温度呈沿程下降趋势.在同一通道中,流动冷凝的平均冷凝传热系数和平均努塞尔数,皆随着蒸气入口雷诺数的增大而增大,通道尺度的减小显著强化冷凝传热.     

水平矩形通道内流动沸腾换热特性实验研究

在常压条件下,对水平矩形通道内R113的流动沸腾换热过程进行了可视化实验研究.通过对加热平板上流动沸腾换热所形成的气泡形态的观测,发现随着热流密度的增大,流动沸腾的起沸点距离逐渐减小,并且减小的程度趋于平缓.随着热流密度的增大,气泡数量逐渐增多,且脱离速度也加快,气泡逐渐融合,直径逐渐变大.将本文的实验结果与文献中的对应结果进行对比,分析了流动沸腾换热中影响总体传热效果的主导因素由核态沸腾换热向强制对流换热转变。     

T型微通道气液两相流流动与传热的数值研究

为进行微通道气液两相流动及传热研究,建立了T型微通道模型,利用VOF方法进行数值模拟,对弹状流流型进行了数值分析,考察了弹状流的形成过程、速度、表面张力和粘度对弹状流流型的影响,计算了气泡速度和液膜厚度,并与经验关联式进行比较。结果表明:液体粘度对弹状流的影响较大;而表面张力对弹状流几乎没有影响,当气速一定时,液速越大,气泡的长度越小而液柱的长度越大。气泡速度和液膜厚度与经验关联式的计算结果误差分别为2.57%和4.87%。     

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。     

开式并联微通道中流动沸腾换热的实验研究

针对常规闭式并联微通道内流动沸腾换热存在气泡生长受限产生的堵塞效应以及不同通道内气泡核化生长不同步导致的并联通道传热不稳定性等问题,设计了一种顶部联通型开式并联微通道蒸发器。采用无水乙醇为工质,在入口过冷度为15℃、质量流速为175 kg·m~(-2)·s~(-1)及热流密度270～761 kW·m~(-2)条件下,开展了该新型微通道冷却器中流动沸腾换热的实验研究,发现了传热系数随干度的增加呈现三类典型趋势,即传热系数单调上升、传热系数先上升后下降再上升、传热系数先上升再保持基本不变;结合高速可视化流型研究,发现了与流型密切关联的三类传热机理,即:1)以气泡核化为主的核态沸腾换热;2)上游核态沸腾为主,下游两相强制对流换热主导;3)偏离核态沸腾后的膜态沸腾换热。分析表明,沸腾数Bo是主导三类传热模式的主要无量纲数。     

Y型微通道气液两相流的数值模拟

针对Y型微通道气液两相流的数值模拟,建立了适用于微通道气液两相流的计算模型,采用CFD方法对微通道内流体的流动进行了数值研究,分析了微通道内流动状态、气泡形状以及生成周期,模拟了Y型微通道气液两相流弹状流的形成过程,并对弹状流的压力、速度、壁面剪切应力的分布、变化趋势及原因进行了深刻剖析,揭示了弹状流流动规律,为进一步加强弹状流应用打下基础,为微通道中的气液两相流动提供了可靠的理论依据。     

基于变传质强度因子Lee模型的流动沸腾模拟

本文基于不同流速下变传质强度因子的Lee模型,对低热通量下上升管内流动沸腾进行了数值模拟。通过分析气相分布、局部气泡行为解释了沸腾换热特性和局部传热恶化。结果表明：低热通量下,不同流速的平均气体体积分数沿管长线性分布,沿径向呈双峰状分布,峰值在壁面附近;高流速时,近壁处气体体积分数的增长速率最大。换热性能受流速影响显著,流速越大,换热系数越大;三种流速下换热系数最小值对应的气体体积分数相同,气相分布不同是换热特性产生差异的直接原因。低中流速下,壁温局部升高位置与换热系数骤降位置是一致的,表明壁面附近局部气泡附着会造成壁温的局部升高,导致传热恶化。     

偏滤器微纳表面冷却通道的过冷流动沸腾数值模拟

为模拟偏滤器水冷模块微纳米结构化表面的传热特性,结合微纳表面可视化微观观察实验数据,在现有气泡参数模型的基础上,对接触角、气泡脱离直径、气泡脱离频率、汽化核心密度等参数模型进行修改,提出可模拟微纳表面过冷流动沸腾传热效果的计算模型。用该模型对压力为4MPa、速度为10m·s-1、进口温度为423K的偏滤器水冷结构中的过冷流动沸腾进行计算,得到常规水冷通道与微纳表面水冷通道各结构的温度与气相体积分布。计算结果表明,微纳表面的平均传热系数提高约一倍;在无氧铜与铬锆铜的许用温度范围内,微纳表面通道偏滤器承受的稳态热流密度可达14MW·m-2。     

涡轮叶片前缘阵列冲击冷却流动及传热特性数值研究

本文采用SST湍流模型模拟了类前缘通道内蒸汽射流阵列冲击冷却的流动与传热特性,分析了雷诺数(Re=10000~50000)、孔径比(d/H=0.5~0.9)和孔间距比(S/H=2~6)对流动及传热性能的影响规律,得到了相应的传热和摩擦关联式。结果表明:在不同雷诺数下,d/H从0.5到0.9变化时,通道压力损失系数降低了76%~79%,靶面平均努塞尔数降低了45%~49%;S/H从2增至6时,通道压力损失系数增加了1.64~1.92倍,靶面平均努塞尔数增加了54%~64%;增大d/H、减小S/H可有效提高类前缘通道蒸汽冲击冷却的综合热力系数。本文研究结果可为未来先进燃气轮机高温涡轮叶片蒸汽冷却结构的设计提供参考和借鉴。     

蒸发器内流动沸腾过程的可视化实验及调控

本文基于Simulink仿真和高速显微摄像仪设计搭建了一套闭式泵驱两相流回路系统,该系统具有可视化观测和自动控制小通道蒸发器流动沸腾传热过程。开展了小通道蒸发器内流型演变、传热特性和温度动态变化调控的定量研究,重点关注流型、流量、热负荷之间的耦合关系。研究结果表明,所构建的两相流回路系统借助储液罐控温调节能够实现系统运行参数的快速准确调控。小通道内工质流动沸腾呈现出单相流、泡状流、弹状流、搅拌流、环状流和反环状流等流型。对流传热系数随着热负荷增大经历单相流与两相流共存的急剧上升阶段、全区域两相流稳定区的均匀缓慢上升阶段以及处于临界不稳定换热区附近的下降阶段。并且,所采用的自动热控制算法能够实现流量、过冷度、壁温等运行参数的快速准确调控,赋予了泵驱两相流回路系统良好的热管理性能。     

SOBER-SJ10池沸腾现象天地实验研究

SOBER-SJ10是实践十号科学实验卫星19项科学实验载荷之一,通过局部过热在固定位置预定时刻激发产生气泡,并细致观测空间微重力条件下池沸腾现象中生长气泡热动力学过程与传热特征,来揭示沸腾气泡底部细观流动以及传热特性。利用已完成的7次地面实验、1次在轨阶段空间实验以及3次留轨阶段补充实验相关数据,分析了不同过冷度下地面实验沸腾曲线,并通过对天地实验中的沸腾气泡行为及气泡底部加热面温度等结果的对比分析,探讨了微重力环境对相关过程的影响。     

矩形微槽道内R134a流动沸腾换热特性的实验研究

本文主要研究了制冷剂R134a.在水平矩形(截面为1 mm×1 mm)微槽道内的流动沸腾换热特性。通过可视化手段观察到流动沸腾过程中的流型变化。同时得到了质量流速在60~1100 kg/(m~2s)、热流密度在33~120 kW/m~2时的流动沸腾换热系数,并对R134a的沸腾曲线作了讨论。通过可视化结果,发现了从泡状流到干涸流的7种流型。换热系数随着热流密度的增加而增加,干涸流的出现会导致换热系数迅速减小。核态沸腾传热在受限气泡到弹状流阶段得到增强。在搅混-环状流到环状流阶段,R134a的传热系数稳定在一个较高的值。此外,质量流速越大,CHF值越高。     

微重力准稳态池沸腾中的气泡动力学研究

本文实验研究了微重力条件下的准稳态核态池沸腾现象中的气泡动力学特征及其对传热特性的影响,发现在低过冷度沸腾中,聚合汽泡表面的强烈振荡促进了整个加热面上的核化过程与核态沸腾传热;而高过冷沸腾中,聚合气泡在表面张力作用下呈球状,难以覆盖整个加热表面,导致核态沸腾向膜态沸腾的过度过程表现为"核态沸腾+局部的干斑扩展"现象,相应的传热曲线没有明显转折.微重力条件下池沸腾临界热流随过冷度和压力的增加而升高,与地面结果定性相符.     

电动汽车空调室外换热器空气侧流动换热模拟研究

采用数值模拟方法对室外微通道换热器翅片侧空气流动换热性能进行仿真计算, 探讨了在制冷工况下,不同百叶窗结构对微通道换热器空气侧传热及流动特性的影响. 结果表明j 因子的模拟结果与实验关联式之间的平均偏差在7.8% 以内,f 因子的平均误差在7.35 % 以内, 符合工程应用要求. 雷诺数较低时, 传热因子j 和阻力因子f 都随Fp 的增大而减小, 雷诺数较高时,Fp 对两者的影响不明显; 随着开窗角度增加换热器换热系数会呈现先增加后减小的趋势, 同时压降会随开窗角度的增大而有所升高.     

单柱微通道流动沸腾换热数值模拟研究

高功率电子芯片的安全运行需要高效的散热技术。流动沸腾换热由于高换热系数受到广泛关注。为精确模拟微通道内流动沸腾复杂两相流过程,本文提出了耦合VOF方法的在相界面处迭代求解能量源项的相变模型。针对单微柱微通道内流动沸腾换热过程进行了数值模拟,分析了瞬态两相流过程及温度场演变规律,查明了热流密度及进口过冷度的影响机制。结果表明,由于局部蒸汽的覆盖,不同工况下微通道内流动沸腾存在热阻的转折点,高热流密度对应更高的气泡生长速度和成核面积,高过冷度会延缓转折点,但整体热阻将升高。     

通断微通道流动特性的数值模拟研究

微通道换热器以其良好换热能力已被广泛地应用于当前的实验研究中,通过数值模拟的方法对通断微通道内的流动特性进行了研究。重点分析了通道结构对微通道内速度分布、压力分布的影响。结果显示,通断通道的整体压降比连续通道增加了17%,当微通道内的雷诺数1 500时,微通道内单相流动达到了旺盛湍流,宽高比对压降的影响消失。通断通道结构下的流动转捩雷诺数600～800之间,比常规尺度下的转捩雷诺数低得多(2 300左右)。通过通道数对流动性能的研究发现,增加通道数,有利于降低整体压降并增加流动稳定性。     

燃气透平叶栅端壁传热特性的数值研究

采用三维数值求解方法,对透平叶栅端壁区域的流动和传热特性进行了研究.利用试验数据考核了相应的数值方法,分析了网格数目和湍流模型对叶栅端壁附近流动传热特性计算的影响,比较了不同进口雷诺数和湍流度条件下端壁传热特性的变化。结果表明;马蹄涡和通道涡等二次流动直接影响端壁区传热,传热强度分布规律基本与当地流动的湍动能保持一致。湍流模型对端壁压力场的计算影响较小,但对端壁传热特性的求解的精度影响较大。采用v~3—f湍流模型能较好地预测端壁传热分布。来流雷诺数和湍流度的变化改变了端壁边界层厚度和涡系结构,使得端壁传热强度和梯度分布发生变化。     

环形狭缝中沸腾传热特性的研究

从理论上分析了影响沸腾传热特性的各种因素,以间隙为 1 mm～2 mm的环形狭缝通道中流动沸腾传热的实验数据为基础,给出了三种计算环形狭缝中流动沸腾传热的准则关系式。分别将计算结果与实验数据进行了比较,找出了影响狭缝中沸腾传热的关键因素,确定了可以用来预测该实验范围内的流动沸腾传热的准则关系式。