带扰流微细槽道冷却系统的实验研究

 针对高热流密度器件的散热问题,设计了有扰流微细槽道散热器。采用去离子水为工作介质,对其内流动和换热特性进行实验研究,结果表明：流体流过槽道时单位长度压降与雷诺数成正比,扰流对槽道内压降特性影响较小;存在最佳的雷诺数使有无扰流情况下槽道内换热努谢尔特数差别最大,并拟合了不同情况下努谢尔特数和雷诺数的关系式;采用进口段无量纲加热长度分析发现,扰流导致流体的热进口段长度增加;分析压降和进口热阻特性可以发现,在槽道长度一定时存在最佳流速使带扰流的微槽道的性能最佳。     

非牛顿流体在周期性渐扩渐缩通道内层流流动与换热的实验研究

本文用实验方法研究了浓度为１５００ｗｐｐｍ的聚丙烯酰胺（ＰＡＭ）溶液在周期性渐扩渐缩通道内层流流动与换热问题。研究表明,大约经过８个周期后流动进入充分发展阶段,而换热则要经过大约２０个周期后才能进入充分发展阶段。在充分发展阶段,阻力系数和换热Ｎｕｓｓｅｌｔ数随广义 Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数的变化关系式分别为： ｆ＝ １３５ × Ｒｅ＊－０．６３２和 Ｎｕ＝ １０．５ × Ｒｅ＊０．５９８。     

蒸气在倾斜细小直径圆管内的流动凝结换热特性

细小管内的流动凝结换热具有许多超常换热特性,经典的Ｎｕｓｓｅｌｔ分析方法已不能满足需要。在以往研究的基础上,本文进一步通过实验探析换热温差和蒸气流量对不同直径的细小管内流动凝结换热的影响。研究表明,管径越小,换热温差对凝结换热系数的影响程度越低;通过流量和倾角对凝结换热数的影响,分析了重力引发的流动分层和剪切力对凝结液的排除两种因素对细管传热强化的作用机制。本文的实验结果和用于常规尺度下的通用关联式对比表明,采用细管,管内的流动凝结换热得到无可置疑的强化     

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）…     

微流动的同伦分析法解析求解

建立了滑移流区二阶滑移流动的控制方程,引入相似变换将微尺度二阶滑移流动的控制方程变换为非线性常微分方程.采用同伦分析法解析求解了该方程,获得了微尺度滑移流动的速度分布,发现在不同Knudsen数下,充分发展段无量纲速度分布有同一交点.通过与文献结果对比验证了本文求解结果的正确性.为深入研究微尺度滑移流动的物理本质提供了数学支持.     

有限雷诺数情况下微槽道可压缩流动滑移流模型稳定性的数值模似

通过对微槽道一阶滑移流模型稳定性的理论研究，发现在不可压缩流和雷诺数趋于零的情况下，当Knudsen数Kn大于1／9时，会出现不稳定现象．这一理论结论在可压缩流和有限雷诺数情况下是否成立，尚不清楚，采用成熟的计算方法，用数值计算来研究可压缩流和有限雷诺数情况下一阶滑移流模型的稳定性，发现随着雷诺数的减小，不稳定的临界Knudsen数也不断减小，逐渐趋近于在不可压缩流和雷诺数趋于零的情况下得到的理论分析结果。     

复杂流动的LBGK模拟

ＬＢＧＫ方法在保留了格子气模型的一些优点的同时，克服了格子气模型的不足之处．应用ＬＢＧＫ方法，可以对更复杂的流体进行模拟．本文讨论了一种九点ＬＢＧＫ模型，并用Ｃｈａｐｍａｎ－Ｅｎｓｋｏｇ展开方法和多尺度技术证明其在二阶精度上表现为标准的Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程．用该模型对圆柱绕流和管排流动进行模拟的结果显示，该模型能较好地模拟复杂流动现象，并具有一定工程应用背景．     

矩形微槽道气体流动的速度分布

矩形微槽道的各个流向截面可以局部近似为平面Poiseuille流动,应用信息保存(IP)方法和直接模拟Monte Carlo(DSMC)方法计算了从连续介质区到自由分子流区的平面Poiseuille流动,利用其结果对Beskok-Karniadadis公式和质量流率动理论因子进行修正和重新拟合,给出在整个稀薄气体流动领域都适用的微槽道气体流动速度分布.     

微槽道内气体流动特性的实验研究

搭建了微槽道的单相实验台,分析了氮气在不同深／宽比、长径比及水力直径的微槽道中流动特性。层流区的摩擦常数与理论预测值吻合较好（除L=20mm工况）,层流到湍流的转捩均有不同程度的提前（转捩Re数在1000左右）;在湍流区,槽道的长径比变小、相对粗糙度的增大（或水力直径的减小）及长度的减小可使流动阻力增大;拟合出了湍流区...     

泡沫铜填充曲折槽道散热器内对流换热研究

设计了高孔隙率泡沫金属铜填充的曲折槽道散热器,采用去离子水为工作介质,实验研究了单相对流换热时散热器的压降、散热量、热阻等特性.结果表明,流体流过槽道时压降和流速成二次多项式关系;随着受热表面温度升高,散热量变大,热阻减小并趋于定值.相同雷诺数时,Nu数随着表面温度的升高而增大;综合评价散热器的性能发现,该换热器在相同压降时热阻要低于微槽道散热器和平板多孔介质散热器.     

矩形微通道中流阻特性的实验研究

以工程上常用的66%的乙二醇水溶液作为工质,对几何特性相似而高宽比不同的4种纯铝矩形微通道内的流动特性进行了实验研究,得到了微通道冷板基础性的设计数据。实验测量了Reynolds数在50~500之间的流动阻力系数。实验结果表明:通道高度H与宽度W之比对微通道流阻特性有显著的影响;当Re数小于100时,在实验误差内,流动阻力系数的值近似等于经典理论计算值;随着Re数的增大和高宽比的变化,f的值远大于理论值,这可能是由微通道内部壁面粗糙度效应所导致的。     

微通道内气体流动的格子Boltzmann方法研究

采用格子Boltzmann方法模拟了微通道在滑移区内不同Knudsen数下的微气体Poiseuille流,分析了微气体流动的速度分布以及流量与压降的关系,并给出了相对滑移长度和Poiseuille数随Knudsen数的变化特性。研究结果表明,微气体Poiseuille流的速度轮廓呈抛物线分布,但是边界速度大于0,出现速...     

直接模拟蒙特卡罗方法在微通道流动模拟中的应用

直接模拟蒙特卡罗方法是一种求解稀薄气体流动换热新的数值方法。本文采用该方法对Kn数跨越速度滑移区和过渡区的三个微通道内的流动进行了数值模拟,给出了通道内速度、压力及局部阻力系数的变化曲线.为了表明通道横纵比对流动的影响,还对每个算例在不同的横纵比下进行了比较。结果表明,微通道内的流动特性不仅与Kn数有关,而且与通道的横纵比也有很大的关系。     

有液滴卷吸时的环状流换热系数的预测模型

本文对垂直上升光管中环状流流动沸腾的理论模型进行了分析,以液膜紊流的动量方程和能量方程为基础,推导了环状流的数学模型,通过求解动量方程和能量方程,获得了流动沸腾换热系数的预测模型,并对该预测模型进行了数值求解,将预测的换热系数同实验值作了比较。     

微针肋槽道内去离子水换热特性

设计了槽肋比为1:2和2:1的矩形大长宽比微针肋散热器,并实验研究了去离子水在其内的流动换热性能。结果表明:当进口温度为40 ℃、微针肋槽道在雷诺数小于650、最高壁面温度低于77 ℃时,单位面积散热量可达21.32 W/cm2。当雷诺数一定时,同一个槽道壁面温度沿着流动方向不断增加、同一个位置壁面温度随着加热功率的增加而增大,局部努谢尔数沿着流动方向先减小后逐渐增加并趋于定值。当针肋流动换热长度较长时,其入口效应可以忽略,槽道平均努谢尔数随着雷诺数的增大而增大,与加热功率无关;为了更好地表达微针肋槽道内的换热特性,考虑了槽肋比、流动雷诺数等影响,拟合了去离子水在微针肋槽道内的对流换热关系式。     

跨流域高超声速绕流环境Boltzmann模型方程统一算法研究

如何准确可靠地模拟从外层空间高稀薄流到近地面连续流的航天器高超声速绕流环境与复杂流动变化机理是流体物理的前沿基础科学问题. 基于对Boltzmann方程碰撞积分的物理分析与可计算建模, 确立了可描述自由分子流到连续流区各流域不同马赫数复杂流动输运现象统一的Boltzmann模型速度分布函数方程, 发展了适于高、低不同马赫数绕流问题的离散速度坐标法和直接求解分子速度分布函数演化更新的气体动理论数值格式, 建立了模拟复杂飞行器跨流域高超声速飞行热环境绕流问题的气体动理论统一算法. 对稀薄流到连续流不同Knudsen数0.002 ≤Kn_∞ ≤1.618、不同马赫数下可重复使用卫星体再入过程(110–70 km)中高超声速绕流问题进行算法验证分析, 计算结果与典型文献的Monte Carlo直接模拟值及相关理论分析符合得较好. 研究揭示了飞行器跨流域不同高度高超声速复杂流动机理、绕流现象与气动力/热变化规律, 提出了一个通过数值求解介观Boltzmann模型方程, 可靠模拟高稀薄自由分子流到连续流跨流域高超声速气动力/热绕流特性统一算法.     

螺旋折流板换热器流动与换热特性的试验分析

对螺旋折流板换热器的流动及换热特性进行了试验研究与分析.结果表明,当保持螺旋周期为定值时,在相同流量下和相同壳径下,螺旋折流板换热器的壳侧压降随螺旋角增大而减小,且远低于弓形折流板的管壳式换热器;壳径减 小时,压降增加明显.相同Re下,螺旋折流板换热器的壳侧换热系数低于弓形折流板,在螺旋角为40°时达到最大值.相同流量下,螺旋折流板管壳式换热器单位压降和单位泵功下的换热系数均高于弓形折流板管壳式换热器.     

基于UGKS的过渡区方柱绕流数值研究

本文基于统一气体动理学格式(Unified Gas Kinetic Scheme,UGKS),对微尺度过渡区气体绕流方柱开展数值模拟研究,计算分析了Kn数对气体流动传热过程的影响规律。研究发现,随着Kn数增加,方柱壁面气体速度滑移和温度跳跃增大,壁面上压力、剪切力和热流也相应增大,方柱壁面-气体之间的换热得到强化;方柱对气体流动的阻碍作用减小,方柱前滞止区影响范围相对增大,方柱温度对柱后区域气体温度影响相对减小。     

矩形微槽道相变流阻的实验研究

以去离子水为工质,对高为2mm,宽分别为0.3mm、0.6mm、2mm的矩形微槽中的两相传热特性与流动阻力特性进行了实验与理论研究。实验结果表明,三种微槽的饱和沸腾传热系数随着热流密度的增加而增加,并对三种微槽传热系数随热流密度关系的实验数据进行了拟合,得出了实验条件下的传热系数与热流密度的关联式及相同热流密度或者质量流速下槽道尺寸对传热系数的影响;此外,矩形微槽道压降△p随着尺寸的减小而增大。     

周期性通道内非牛顿流体的流动与换热的实验研究

本文用实验方法研究了两种不同浓度的非牛顿流体（ＰＡＭ溶液）在不同温度下的流变曲线及其在周期性通道内的流动与换热规律。实验结果表明,两种ＰＡＭ溶液的稠度系数Ｋ随温度升高而减小,而流变指数ｎ则随温度升高而增加。两种浓度ＰＡＭ溶液在周期性通道内的换热强度和阻力损失均比水高。同时,在Ｒｅ 在１０～５０的范围内,通道内非牛顿流体的流动与换热规律可整理成形如 Ｎｕ＝ Ｃ１Ｒｅ＊ｍ１和 ｆ＝ Ｃ２Ｒｅ＊,ｍ２的形式。