热管式换热器设计中最佳冷、热段长度比的通用公式

在热管式换热器的实际设计中,有一类问题是设定热管总长度,最佳地分配冷、热段长度L_C和L_H的问题.比值L~*=L_C/L_H的选择与热管和换热器的诸多因素,例如热管的内部结构及工作性能、换热器的结构和尺寸、热流体和冷流体的流速、安全温度点等等有关。本文给出了上述诸因素影响后的热管冷、热段最佳长度比的计算公式,供设计者参考。     

非对称纳米通道内流体流动与传热的分子动力学

采用分子动力学方法研究了流体在非对称浸润性粗糙纳米通道内的流动与传热过程,分析了两侧壁面浸润性不对称对流体速度滑移和温度阶跃的影响,以及非对称浸润性组合对流体内部热量传递的影响.研究结果表明,纳米通道主流区域的流体速度在外力作用下呈抛物线分布,但是纳米通道上下壁面浸润性不对称导致速度分布不呈中心对称,同时通道壁面的纳米结构也会限制流体的流动.流体在流动过程中产生黏性耗散,使流体温度升高.增强冷壁面的疏水性对近热壁面区域的流体速度几乎没有影响,滑移速度和滑移长度基本不变,始终为锁定边界,但是会导致近冷壁面区域的流体速度逐渐增大,对应的滑移速度和滑移长度随之增大.此时,近冷壁面区域的流体温度逐渐超过近热壁面区域的流体温度,流体出现反转温度分布,流体内部热流逆向传递.随着两侧壁面浸润性不对称程度增加,流体反转温度分布更加明显.     

应用逆Marangoni效应的热管技术研究进展

热管因其传热性能高、热流密度大、结构紧凑等优势,在电子设备冷却等领域应用广泛。某些混合溶液在一定浓度和温度范围内表面张力随温度升高而增大,用作热管工质时可大幅度提升热管的传热性能。本文总结了引起逆Marangoni效应的混合流体在不同热管中的应用及其对热管传热性能的影响。目前的研究表明,具有逆Marangoni效应的自润湿流体作为热管工质时,最高临界热流密度与水相比可提高2.5倍。     

高温吸热管内超临界CO2传热特性的数值模拟

研究超临界CO2在高温吸热管内的传热特性是将其应用于聚光太阳能热发电技术中的基础.本文对此进行了数值模拟研究,分析了流体温度、流动方向、系统压力、质量流率和热流密度对对流传热系数和Nu数的影响.结果表明:高温区(800—1050 K)的对流传热系数和Nu数受流动方向和系统压力的影响均很小,但都随着质量流率的增大以及热流密度的减小而明显增大;而随着流体温度的升高,对流传热系数近似线性增大,Nu数则近似线性减小.另外,本文研究发现在高温区可忽略浮升力对传热的影响,而由高热流密度引起的流动加速效应会明显恶化传热.最后,选取了八种管内超临界流体传热关联式与模拟结果进行对比,发现使用基于热物性修正的关联式对高温区传热数据预测的结果优于使用基于无量纲数修正的关联式得到的结果,且其中预测效果最优的关联式得到的计算结果与模拟结果之间的平均绝对相对偏差为8.1%.     

陶瓷微通道内的传热和压降特性

本文对一种新型陶瓷微通道换热器的传热与流动阻力特性进行了实验研究。实验工质分别为3M公司的HFE-7100和水。对于HFE7100流体,在传热面温度为40℃时热流密度可达10W/cm~2;对于水,传热面温度为35℃时热流密度可达约13W/cm~2。流动阻力特性实验结果表明,无论对于水还是HFE7100流体,在本实验范围内压降小于4.8kPa。     

印刷电路板通道的高温传热和阻力特性研究

印刷电路板换热器是超高温气冷堆等高温能量利用与回收领域中极具潜力的备选强化传热技术之一,本文通过数值模拟方法对典型Z字形印刷电路板(PCHE)传热通道的传热和阻力特性开展了相关研究。计算结果表明:层流模型可以较好地获得Z字形PCHE通道的阻力和传热性能,Z字形PCHE通道的阻力系数大于半圆管直通道的阻力系数;当热侧和冷侧通道流体入口温度均不发生改变时,增加两侧流体的质量流量,通道内的阻力系数随之减小,传热效率也稍微减小;当两侧流量及冷侧入口温度均不发生改变时,提高热侧通道入口温度,通道内阻力系数成线性增大,传热效率也随之提高。     

基于有限时间热力学的换热器构型优化研究

针对逆流换热器的换热过程,以(火积)耗散最小为优化目标,推导出冷、热流体温度的最佳分布;进而在满足最佳温度分布的前提下,得到了最小(火积)耗散、最小热阻、(火积)传递效率与总传热单元数的关系.引入数值算例,结果显示随着总传热单元数的增加,换热过程不可逆损耗减小,但减小速率也越来越小.同时也证明了(火积)理论比熵理论更适...     

半周加热内螺纹管内超临界传热的数值模拟

半周受热内螺纹管内流体温度、壁面温度和换热系数存在周向不均匀性,本文建立了流固耦合的传热模型,通过数值模拟在不同q/G (热流密度与质量流速之比)下对比分析了半周和全周加热内螺纹管内超临界水的传热过程。研究发现半周加热内螺纹管强化了超临界流体传热,降低了内壁温度。管内流体的贴壁周向运动加强了冷热侧流体间的热量交换,同时近壁面流体与管中心流体间的传热强度也有所提高。管子几何参数对半周受热内螺纹管换热的影响比全周加热时更显著。     

槽式太阳能集热器集热性能分析

本文运用蒙特卡罗光线追踪法(MCRT)模拟了抛物槽式系统聚光特性,并与计算流体与传热有限容积方法(FVM)结合,进一步研究了吸热管内耦合传热过程.聚光特性分析中考察了光不平行夹角、几何聚光比和边界角对太阳热流密度分布的影响;耦合传热模拟中考虑了液体油热物性随温度的变化以及吸收管外管壁辐射换热.模拟计算表明;模拟计算结果与文献数据对比符合较好,验证了计算方法与模拟程序的正确性.光不平行夹角主要对热流密度圆周方向分布产生影响,使其分布平缓,对热流密度轴向分布影响不大;随着几何聚光比的增大,太阳热流衰减区的角度跨度增大;随着边界角的增大,热流密度圆周分布曲线向圆周角90°方向平移,同时热流密度极大值降低.在太阳直射强度大致相同情况下,入口流速与入口温度对接收管表面对流换热与最大温差影响很大;同时变物性对流体对流换热影响也较大.     

入口节流微通道换热器内相变传热特性

设计加工一种带有入口节流结构的铜基微通道换热器,理论分析其传热模型、实验测量微通道换热器内相变换热的传热特性和压力特性。结果表明:换热器内部的热传递过程为其主要换热模式;换热器表面温度随加热热流密度的增大而增大;微通道入口流速对表面温度影响较小;入口工质过冷度线性影响换热器的表面温度。热流密度在不同阶段对换热系数有不同影响,热流密度为360 W/cm~2时,换热器换热系数出现最大值;换热器压降随热流密度和系统流速的增加而增大。     

双液滴撞击平面液膜的流动与传热特性

采用耦合的水平集-体积分数法(CLSVOF)对双液滴连续撞击恒定壁温壁面上的热液膜的流动和换热特性进行了数值模拟及分析,得到了双液滴撞击热液膜后形态演变的过程.分析了液滴垂直间距、撞击速度、液膜厚度以及液滴直径对双液滴撞击液膜后的流动与传热特性的影响,结果显示,壁面平均热流密度随液滴撞击速度的增大而增大,液滴垂直间距、液膜厚度和液滴直径对平均热流密度的影响较小,但会对热流密度在撞击区域和交界区的分布产生重要影响.     

A molecular dynamics simulation on the convective heat transfer in nanochannels

The understanding of the flow and heat transfer processes for fluid through micro- and nanochannels becomes imperative due to its wide application in micro- and nano-fluidic devices. In this paper, the method to simulate the convective heat transfer process in molecular dynamics is improved based on a previous study. With this method, we simulate a warm dense fluid flowing through a cold parallel-plate nanochannel with constant wall temperature. The characteristics of the velocity and temperature fields are analysed. The temperature difference between the bulk average temperature of fluid and the wall temperature decreases in an exponential form along the flow direction. The Nusselt number for the laminar flow in parallel-plate nanochannel is smaller than its corresponding value at macroscale. It could be attributed to the temperature jump at the fluid–wall interface, which decreases the temperature gradient near the wall. The results also reveal that the heat transfer coefficient is related to the surface wettabilities, which differs from that in the macroscopic condition.     

基于拟沸腾理论的超临界CO2管内传热恶化量纲分析

超临界流体广泛应用于工程技术领域,其流动传热特性对工程设计具有重要意义,但是,由于超临界流体的物理微观和宏观行为的机理尚不清晰,所以其异常的流动传热特性并未得到很好的解决.普遍认为超临界流体在分子尺度上可分为类气和类液两种不同的特性,直到最近通过实验在宏观上监测到超临界水类液和类气之间的转变,且这一过程与拟沸腾理论一致,使得问题逐渐变得清晰.本文基于拟沸腾理论对超临界CO2异常流动传热行为进行了研究,在假设类液和类气转换过程不均匀的情况下,从经典的量纲分析和亚临界过冷沸腾理论模型出发,提出了一个适用于超临界流体拟沸腾换热过程的分析方法.通过引入表征类气膜生长速度与流体主流平均流速之比π=(qw·ρ1)/(G·Δi·ρg)和表征近壁区类气膜温度梯度π13=(qw·βpc·di)/λg两个无量纲数,来表征拟沸腾如何导致传热恶化,解释了超临界CO2竖直向上加热流动过程中的异常换热特性,即较大的类气膜生长速度使近壁区快速聚集了较多的高温流体,而较大的类气膜温度梯度使类气膜覆盖在壁面.当核心的冷类液不能充分润湿热壁面时,传热恶化.新无量纲数较好的诠释了超临界流体拟沸腾诱导传热恶化机制,为超临界拟沸腾传热研究提供了理论依据.     

一维晶格中费曼棘齿-棘爪热机

研究了一维晶格中费曼棘齿-棘爪热机模型. 用粒子的概率主方程来描述粒子在晶格中的动力学特性, 推导出热流、 功率和效率的表达式. 通过数值计算分析势垒高度、 外力和温比对热流以及热机功率和效率的影响. 研究表明: 在粒子稳态概率流为零时, 存在非零的热流从高温库流入低温库, 类似于经典不可逆卡诺模型中的热漏; 热漏的存在使得热机的效率远远小于卡诺效率, 功率与效率之间为闭合的关系曲线, 热机为不可逆热机; 对热机性能参数进行优化, 可以使热机工作在最优性能状态下.     

小液滴撞击壁面传热特性数值分析

小液滴撞击壁面现象在喷雾冷却等领域都有广泛应用.为研究小液滴(微米)撞击热壁面(非沸腾区)传热过程,建立了二维液滴撞壁瞬态模型,并采用相场方法对小液滴换热过程中对流热通量和导热热通量的大小进行了对比.研究结果表明:液滴撞击壁面初期形成“冷斑”,有利于小液滴与壁面的传热;小液滴撞击壁面过程中热通量峰值存在于三相接触点附近,数量级在105—106 W/m²;小液滴撞击壁面过程中受壁面浸润性和液滴尺寸对传导热通量的影响较为显著,而速度和液滴尺寸对对流热通量的影响较为显著;大多数情况下,小液滴撞击壁面传导热通量数量级在103—105 W/m²,对流热通量数量级在104—106 W/m²,对流热通量大于传导热通量,在整个换热过程中占据主导地位.     

微通道换热器大温差条件下流动换热研究

随着高效预冷器在航天航空领域发挥越来越重要的作用,紧凑高效换热器的研究成为了人们关注的热点。本文基于紧凑微通道换热器的几何特征,针对矩形截面平行流道换热器内超临界压力低温流体(氢和氦)在大温差条件下的流动换热现象进行数值模拟研究。通道截面边长小于1 mm,热流体氦和冷流体氢的进出口温差均大于600 K。通道内流体换热系数在顺流和逆流条件下有不同的变化趋势,并出现峰值。换热量随着通道宽度的增大而增大,流动压降随着通道宽度的增大而减小。冷热流体逆流时换热量大,压降较小,但对换热器材料要求较高。     

微通道换热器大温差条件下流动换热研究

随着高效预冷器在航天航空领域发挥越来越重要的作用,紧凑高效换热器的研究成为了人们关注的热点。本文基于紧凑微通道换热器的几何特征,针对矩形截面平行流道换热器内超临界压力低温流体(氢和氦)在大温差条件下的流动换热现象进行数值模拟研究。通道截面边长小于1 mm,热流体氦和冷流体氢的进出口温差均大于600 K。通道内流体换热系数在顺流和逆流条件下有不同的变化趋势,并出现峰值。换热量随着通道宽度的增大而增大,流动压降随着通道宽度的增大而减小。冷热流体逆流时换热量大,压降较小,但对换热器材料要求较高。     

超临界压力CO2在水平圆管内流动传热数值分析

采用SST k-w低雷诺数湍流模型对加热条件下超临界压力CO2在内径di=22.14 mm,加热长度Lh=2440 mm水平圆管内三维稳态流动与传热特性进行了数值计算.通过超临界CO2在水平圆管内的流动传热实验数据验证了数值模型的可靠性和准确性.首先,研究了超临界压力CO2在水平圆管内的流动传热特点,基于超临界CO2在类临界温度Tpc处发生类液-类气“相变”的假设,揭示了水平圆管顶母线和底母线区域不同的流动传热行为.然后,分析了热流密度qw和质量流速G对水平圆管内超临界压力CO2流动换热的影响,通过获取流体域内的物性分布、速度分布和湍流分布等详细信息,重点解释了不同热流密度qw和质量流速G下顶母线内壁温度Tw,i分布产生差异的传热机理,分析结果确定了类气膜厚度d、类气膜性质、轴向速度u和湍动能k是影响顶母线壁温分布差异的主要因素.研究结果可以为超临界压力CO2换热装置的优化设计和安全运行提供理论指导.