锯齿形硅基微通道内流动与换热特性实验

采用微机电系统(MEMS)工艺在硅片上制作锯齿形微通道,并对其内部流动和换热特性进行了实验研究,同时与相同高宽比和当量直径的平直微通道进行了对比,讨论了锯齿形硅微通道强化换热的机理.研究表明:锯齿形微通道内流动摩擦常数fRe和换热努塞尔数Nu较平直微通道均有明显提高,且提高幅度随雷诺数Re增加而增加;相同泵功条件下锯齿形微通道换热热阻显著下降.      

过载加速度下涡旋微槽内单相流动特性实验

以体积浓度30%的乙二醇水溶液为工质,对槽宽0.5mm,深宽比为2、3、4的矩形截面涡旋微槽试件在过载加速度条件下的流动特性进行了实验研究。试件所用材料为紫铜,每个试件上按两行分布6个涡旋微槽,所承载加速度由离心式过载加速度试验机提供。分析了不同深宽比的涡旋微槽在不同工质流量和不同过载加速度下的流动特性,得出了微槽结构、工质流速对其流动特性的影响。结果表明,加速度方向对微槽内流动特性有着决定性的影响,且加速度越大,摩擦阻力系数越大。在过载加速度条件下Dean数是决定涡旋微槽抵御和适应过载加速度对其流动特性影响的重要因素。     

微通道热沉对流传热理论模型及实验

用理论及实验相结合的方法研究了微通道热沉流动与传热特性.首先,总结并提出了微通道热沉对流传热的理论模型;然后,实验测量并计算了微通道热沉的压降及努塞尔数,其理论值与实验值吻合较好,平均误差在10%左右;最后,分析了不同雷诺数及通道宽高比时的导热热阻、对流热阻及电容热阻占总热阻份额的大小.结果表明:对流热阻是影响微通道热沉传热性能的重要因素,当雷诺数为985,通道宽高比为1时,对流热阻占总热阻90%左右;而在雷诺数较小时,导热热阻占总热阻的份额小于10%,可以忽略不计;电容热阻占总热阻的份额随着雷诺数及通道宽高比的增大而降低.      

机载条件下PCHE通道内流动换热特性研究

以飞机燃油系统和环控系统中常见的航空煤油(大庆 RP-3)和防冻液(65号)作为工质,对印刷电路板式换摘热器(PCHE)通道单元中 2种工质的逆流换热进行了三维数值模拟研究。实验中共设计 4种模型,即角度为 15°的 Z型双通道基础模型以及据此优化的其他 3种模型,不同模型的通道入口水力直径均为 1.2 mm。此外,燃油入口温度为 -40~40 ℃,防冻液入口温度为 50 ℃,它们的物性参数均随温度变化而变化。利用综合评价因子 η对模拟结果进行分析,获得了不同模型的流动换热特性。结果表明,优化模型的 η均大于基础模型。冷边入口温度相同时,优化模型的冷边最大 η出现在 400 kg/(m2·s) ,热边最大 η出现在 200 kg/(m2·s) 。质量流速相同时,若流速较小,则优化模型的冷边最大 η出现在 20 ℃,热边最大 η出现在 40 ℃,若流速较大,则冷边和热边最大 η均出现在 -40 ℃,但是冷边和热边流速大小的分界线不同。由此说明,环境温度变化引起的工质物性变化对 PCHE通道最优工况的出现影响显著。     

微通道气体单相流动特性的数值分析

微通道是各种微系统结构中一个基本的组成部分.考虑了可压缩与粘性加热的影响, 针对氮气在3种不同尺寸的微通道(水力直径范围:30～3 000μm)内的流动特性进行了数值研究.分别就不同尺寸、不同雷诺数(Re)下压力降、摩擦因子和摩擦常数的规律进行了研究, 着重考察了长径比、入口段出口段影响、可压缩性影响及粘性加热影响.计算分析揭示出转捩雷诺数提前, 在300μm管道转捩雷诺数提前到1 200附近.      

旋转状态下矩形微小通道流动与换热试验研究

为了研究微小通道结构在航空发动机涡轮叶片中应用的前景和可行性,以空气为冷却介质,在Re＝1000～3000、转速为0～500 r/min、Ro＝0～3.5×10-3条件下,对水力直径为1 mm的旋转微小通道组的流动和换热特性进行试验研究。结果表明：微小通道流阻系数呈现粗糙壁通道特征,通道临界Re≈2350,流阻系数以及临界Re随转速增加未见明显改变。在静止状态下,通道组综合换热系数随Re增大而增大,换热系数分布沿流动方向逐渐减小;在旋转状态下,通道组平均综合换热系数略有增大,旋转对换热特性的影响随着流动的发展而增大     

相变微胶囊悬浮液在树形微通道内的热力特性

以乙二醇水溶液为载冷基液制备了相变微胶囊悬浮液（MEPCMS）,并测量了其物性参数,然后实验研究了MEPCMS在树形微通道内的热力特性,揭示了雷诺数、质量分数对MEPCMS热力性能的影响规律。结果表明:MEPCMS的比定压热容随着微胶囊质量分数与温度的增加而增大,黏度随着微胶囊质量分数的增加与温度的降低而增大;MEPCMS的表面传热系数随着雷诺数与质量分数的增大而增大,当雷诺数为118时,质量分数为1%、3%的MEPCMS的表面传热系数相对于载冷基液分别提高了3.92%和9.04%;MEPCMS的摩擦因子随雷诺数的增大与质量分数的减小而减小,但随着雷诺数的增加,MEPCMS的摩擦因子逐渐接近载冷基液。      

疏水微槽道内层流减阻的实验研究

研究了光滑和带有横向凹槽结构的疏水微槽道内层流的流动特性和表面滑移效应。在硅片上加工了矩形截面微槽道,利用十八烷基三氯硅烷（octadecyltrichlomsilane OTS）在槽道内壁形成疏水薄膜。实验结果表明在光滑疏水微槽道内的水流压降比无滑移条件下的理论值减少8％。对于侧壁带有凹槽结构的疏水微槽道,流动阻力可以降低10％～30％。笔者采用micro—PIV测量得到的壁面表观滑移速度约为槽道中心速度的8％,滑移长度约为2μm。实验结果与滑移壁面条件下三维槽道内层流的解析解吻合,同时得到了带有凹槽结构的疏水微槽道内的流速分布。     

预冷组合发动机中微通道换热器的仿真分析

建立了预冷组合循环发动机(SABRE)的氢/氦微通道换热器数学模型,进行换热特性的仿真分析。计算结果表明:仿真分析的结果与文献数据误差在10%以内,并通过对换热通道几何尺寸的相似变换,获得了微通道特征几何参数随雷诺数的响应曲线,以及氢/氦微通道换热器在特征工况条件下的特性变化规律。     

并联硅基扩缩微通道热沉强化传热特性

采用去离子水作为冷却工质,实验研究了并联硅基扩缩微通道热沉内的流体流动与强化传热特性.基于微尺度强化传热机理,设计加工了两种并联硅基扩缩微通道热沉.通过测量流体的体积流量、进出口压降与温度、热沉底面加热膜温度,并以传统矩形直通道热沉为参照,获得了并联硅基扩缩微通道热沉在恒热流边界条件和不同体积流量工况下流体流动与对流传热特性参数.结果显示:相对于矩形直通道,并联硅基扩缩微通道热沉的表面传热系数可提高12.5%~85.1%,但摩擦因数只增加了-9.2%~31.4%.表明并联硅基扩缩微通道热沉具有优越的强化传热特性.