多孔肋微通道相变微胶囊悬浮液的传热分析

为了提高微通道热沉的水力性能和热力性能,采用等效比热容法对相变微胶囊悬浮液在固体肋和多孔肋微通道热沉内的流动与传热特性进行研究。结果表明：多孔肋可以使微通道热沉的压降显著降低,对热阻的影响随微通道内冷却剂流动距离变化。相变微胶囊悬浮液相变吸收潜热可以减小微通道热沉的热阻,但是粘度增大使得压降增大。多孔肋和相变微胶囊悬浮液都能提高微通道热沉的综合性能,相变微胶囊悬浮液在多孔肋微通道热沉中比水在固体肋微通道热沉中的综合性能提高了14%。     

圆柱形锂电池液冷热管理实验研究

对92根加热棒组成的等效电池组的液冷热管理进行了实验研究,波浪形扁管穿插入电池组构成冷却通道。结果表明：电池组的最高温度和最大温差均随着冷却液流量的增大而降低,但降幅逐渐减小,冷却液泵功随着流量的增大而快速增长,综合考虑10 L/h为冷却液最佳流量;电池组的最高温度随着冷却液进口温度的降低而降低,但电池组温度的均匀性随着冷却液温度的降低而恶化;四种不同冷却液相比,体积分数为50%乙二醇溶液的电池组温度最高,均匀性最差,去离子水居中,由于石蜡的相变潜热和颗粒的微对流效应,体积分数为2%和5%相变微胶囊悬浮液对电池组的冷却效果最佳,且悬浮液浓度越高,电池组温度越低,均匀性越好。     

两相流中非平衡相变与平衡相变比定压热容差异的研究

本文以空气-水蒸气-水组成的两相流混合物为例,应用两相流及热物理理论,推导了有相变的两相流系统非平衡过程的比定压热容计算式,并对实际的空气-水蒸气-水两相流动的换热过程进行了数值模拟.计算结果揭示了比定压热容的变化明显受到水颗粒相变过程的影响,颗粒的半径越小,比定压热容变化越大.同时,平衡相变过程比定压热容计算的流体温度要高于非平衡相变过程,两者的差异随着颗粒蒸发过程的进行而逐渐增大,且靠近轴线的差异要比靠近壁面处的差异大,颗粒半径越小,两者的差异越小.     

微细通道内蒸发薄液膜区壁面滑移及微流动特性

基于扩展Young-Laplace方程和动力学理论研究微通道中蒸发薄液膜区固液界面附近流动和传热特性,考虑压力特征、壁面滑移和温度跳跃建立物理模型.利用边界层近似,提出一种计算固液界面吸附微液层热阻的方法,导得固液界面的热阻和温度.数值模拟结果表明,壁面微流动会降低毛细压力梯度,增加壁面热阻,降低液相过热度,恶化液膜铺展和传热性能,在薄液膜区不可忽略.阐明壁面微流动含义,指出滑移系数与吸附流动微液层厚度的关系.     

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     

微通道内滑移区气体-颗粒流动传热数值模拟

本文针对微通道内气粒间流动传热过程开展数值研究,所建模型中气体处理为可压缩/变物性流体,并在气固交界处采用速度滑移和温度跳跃边界条件以考虑其微尺度效应。在数值研究基础上,分析了微通道受限空间、克努森数、气体流速以及颗粒表面温度对微通道内气粒换热的影响。研究结果表明,受限空间结构将强化气粒间换热过程,颗粒表面平均传热努赛尔数随微通道气体流量增大而增大,克努森数增大以及颗粒表面温度升高都将导致颗粒表面平均传热努赛尔数减小。     

带凹槽的微通道中液滴运动数值模拟

运用改进的耗散粒子动力学方法模拟了液滴在由凹槽所构成的粗糙表面微通道内的运动行为.改进的耗散粒子动力学方法采用新近提出的一种短程排斥、长程吸引相互作用势能函数,从而可以模拟带有自由面的流体,如液滴等.模拟了新势能函数下液滴与固体壁面的静态接触角,并用2次多项式拟合了"接触角-a_wf/a_f"变化曲线.研究了液滴在带凹槽的微通道中运动时,微通道壁面浸润性、外场力、液滴温度对液滴流动特性的影响.研究表明壁面浸润性和外场力对液滴流动特性的影响较大,液滴温度对液滴流动特性的影响较小.研究结果对运用耗散粒子动力学方法模拟并分析微流体在复杂微通道的流动有一定的参考价值.     

微通道内光热相变驱动流体运动特性研究

本文通过可视化实验,对微通道内光热效应致相变驱动流体运动特性进行了研究,通过红外聚焦激光跟随微通道内液柱气液界面进行加热持续产生的蒸发冷凝-聚合过程对液柱进行连续驱动。实验研究了激光功率、加热点位置对相变过程中的界面行为、冷凝液滴分布、驱动速率的影响规律。结果表明,激光功率越高,光斑距离界面越近,液柱蒸发速率越大,蒸汽浓度高,冷凝液滴分布越密集,驱动流体流动速度越快。     

微胶囊化相变悬浮液层流传热强化的参数分析

通过对微胶囊相变悬浮液管内层流恒热流对流换热的数学建模和模拟计算,获得在恒热流加热边界条件下,不同参数匹配时相变糊状区的确切范围以及固液相变两条相界面的数值结果。利用该模型对影响悬浮型固液两相流传热特性的诸多参数进行了比较细致的定量分析,这些参数包括固相体积浓度、斯蒂芬(Ste)数、粒径比、无量纲相变温度区间宽度以及无量纲过冷度等。分析和模拟计算的结果显示微胶囊浓度和斯蒂芬数对管内层流传热具有最重要的影响。     

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.     

圆管内潜热型功能流体对流换热的实验研究

本文实验研究了由正十四烷和尿素甲醛树脂制成的相变微胶囊和水混合组成的潜热型功能流体流过等热流圆管时的对流换热特性。相变微胶囊的加入可以显著增强流体与壁面间的对流换热,显著降低壁面温度和流体温度;在融化段对流换热系数呈增加分布,流体和壁面温度各自基本稳定在相应的温度值。强化对流换热的效果主要在融化段,并随流体中相变微胶囊浓度的增大而增强,也随R-eynolds数的增大而增强。     

不同纳米流体在微通道内的流动传热特性研究

采用数值模拟的方法研究了不同工质在微通道内流动传热特性的差异。对比了去离子水、纳米流体Al₂O₃/Water、CuO/Water、TiO₂/Water、Cu/Water等工质在微通道内的流动传热特性,并研究了纳米颗粒的浓度对流动换热特性的影响。结果表明：CuO/Water作为冷却工质时的对流换热系数比水增加了9.6%,微通道底面平均温度降低了2.6 K,换热性能明显优于其他几种纳米流体。由于纳米颗粒的加入,纳米流体的粘度比水大,进出口的压降比水大。纳米颗粒的体积分数越大,对流换热系数越大,纳米流体在微通道内的换热性能越好。     

纳米通道粗糙内壁对流体流动行为的影响

纳米流动系统具有高效、经济等优势,在众多领域具有广泛的应用前景.因该类系统具有极高的表面积体积比,致使界面滑移效应对流动具有显著影响.本文采用分子动力学方法以两无限大平行非对称壁面组成的Poiseuille流动为对象,分析了壁面粗糙度与润湿性变化对通道内流体流动的影响.对于不同结构类型的壁面,需要通过水动力位置来确定固液界面位置,准确计算固液界面位置有助于更好地分析界面滑移效应.研究结果表明,上下壁面不对称会引起通道内流场参数分布的不对称,壁面粗糙度及润湿性的变化会影响近壁面附近流体原子的流动特性,由于壁面凹槽的存在,粗糙壁面附近的数密度分布低于光滑壁面一侧.壁面粗糙度及润湿性的变化会影响固液界面位置,肋高变化及壁面润湿性对通道中速度分布影响较大,界面滑移速度及滑移长度随肋高和润湿性的增大而减小;肋间距变化对通道内流体流动影响较小,界面滑移速度和滑移长度基本保持恒定.     

低温冷冻靶微管燃料充注流动冷凝特性

低温冷冻靶是惯性约束核聚变装置的关键部件之一。冷冻靶靶丸位于黑腔内部,需要利用微管完成燃料充注。针对燃料在微管内发生气液相变后流入靶丸这一关键过程,研究了微通道流体与常规流体流动传热的差异。基于微通道特性对流体流动传热方程进行修正,同时建立了气液相变模型,对微充气管内燃料充注过程进行了数值计算分析。得到重力和表面张力的影响,在微通道中,重力作用可以忽略,表面张力起重要作用。得到了微尺度效应包括速度滑移和温度跳跃对流动传热过程的影响。对多种充气管结构进行比较分析,为选型提供指导。通过选择不同进口条件和出口条件,对充注量控制和充注条件选择提供了指导方案,实际充注时需要同时提高进口温度和压力,保证连续可控充注。     

纳米通道内液态微流动密度分布特性数值模拟研究

微通道内流动因表面积/体积比值极大, 造成许多微尺度效应, 进而使微通道内出现完全不同于宏观流动的流体密度分布特性. 本文以纳米通道内液态Poiseuille流为对象, 采用非平衡分子动力学模拟方法研究了流体原子间相互作用强度ε_LL, 流体原子间平衡距离σ_LL以及壁面原子与流体原子间平衡距离σ_LS对通道内流体密度分布的影响规律. 数值模拟中, 统计系综取微正则系综, 势能函数选用LJ/126模型, 壁面设为Rigid-atom壁面, 温度校正使用速度定标法, 牛顿运动方程的求解则采用Verlet算法. 模拟结果表明, 随ε_LL的减弱, 近壁面区密度分布的振荡幅度则逐渐增大; 而σ_LL 则同时影响流体原子的存在形态和密度分布, 较大的σ_LL 会造成流体原子在整个通道内呈现面心立方结构的类似固体排列, 较小的σ_LL会使得流体原子呈现不断变化的 "团簇" 结构; 随σ_LS的变大, 近壁面区流体密度振荡幅度增大, 且流体密度分布起点离壁面越远. 另外, 本文还从近壁面区流体原子的 "俘获-逃逸" 行为角度, 初步解释了原子间相互作用强度对密度分布的影响规律. 关键词： 纳米通道 微流动 密度分布 分子动力学     

尺寸效应对微通道内固液界面温度边界的影响

采用非平衡分子动力学方法模拟不同浸润性微通道内液体的传热过程,分析了尺寸效应对固液界面热阻及温度阶跃的影响.研究结果表明,界面热阻随微通道尺寸的变化可分为两个阶段,即小尺寸微通道的单调递增阶段和大尺寸微通道的恒定值阶段.随着微通道尺寸的增加,近壁区液体原子受对侧固体原子的约束程度降低,微通道中央的液体原子自由移动,固液原子振动态密度近似不变,使得尺寸效应的影响忽略不计.上述两种阶段的微通道尺寸过渡阈值受固液作用强度与壁面温度的共同作用:减弱壁面浸润性,过渡阈值向大尺寸区域迁移;相较于低温壁面,高温壁面处的过渡阈值更大.增加微通道尺寸,固液界面温度阶跃呈单调递减趋势,致使壁面温度边界和宏观尺度下逐渐符合.探讨尺寸效应有助于深刻理解固液界面能量输运及传递机制.     

潜热型热功能流体强化换热分析

本文建立了分析带有相变微胶囊的潜热型热功能流体的流动和换热过程数理模型,应用有限差分法和移动热源法进行联合求解。计算结果表明,相变微胶囊的加入:较好地提高了流体的换热性能。获得了相变颗粒大小和体积分数对强化换热影响等结果。计算结果对该类流体的设计和应用提供了理论依据。     

格子Boltzmann方法模拟气泡生长脱离

格子Boltzmann方法具有微介观的特性,能够自动捕捉和追踪界面,在多相流领域有广阔的应用前景。对于伴有气液相变的传热问题,格子Boltzmann方法已有模型较少,其中有一部分是通过质量变化间接反映相变过程,不能真实反映温度场的演化和影响。本文采用了模拟多相流动和分离的自由能模型,结合基于Stefan边界的相变传热模型,考虑壁面自由能对流体与壁面间润湿性的影响,模拟了静态接触角、过热壁面的气泡生长和脱离,并进行了更接近真实沸腾过程的随机生成气泡的模拟,以及流动沸腾的气泡生长和脱离的模拟。     

流量分配对逆流微通道内流动沸腾影响的研究

微通道内的沸腾两相流动是解决高热流密度下微电子设备散热最有潜力的手段之一。本文基于逆流式微通道热沉设计,实验研究了不同流量调配下逆流式微通道内的流动沸腾特性。讨论了流量分配对微通道内流动沸腾过程中传热特性、压降分布和壁面温度演化规律的影响。实验结果表明：当逆流式通道两侧的质量流量相同时,壁面呈现较好的温度均匀性,且两侧流动压降基本保持一致。两侧流量相差越大,其对应最大两相压降偏差越大。逆流式微通道的壁面温度分布和局部热点的位置可以通过改变两侧质量流量的大小实现有效控制。同时,微通道内流体的演化周期同样可以根据两侧质量流量的高低实现调控。     

微通道疏水表面滑移的耗散粒子动力学研究

了解疏水表面的滑移规律对其在流动减阻方面的应用至关重要.利用耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics, DPD)方法研究了微通道疏水表面的滑移现象.采用固定住的粒子并配合修正的向前反弹机制,构建了DPD固体壁面边界模型,利用该边界模型模拟了平板间的Couette流动.研究结果表明,通过调整壁面与流体间排斥作用强度,壁面能实现从无滑移到滑移的转变,壁面与流体间排斥作用越强,即疏水性越强,壁面滑移越明显,并且滑移长度与接触角之间存在近似的二次函数关系.无滑移时壁面附近密度分布均匀,有滑移时壁面附近存在低密度区域,低密度区域阻碍了动量传递,致使壁面产生滑移.