应用于强化传热的相变材料微胶囊的制备及特性

相变材料微胶囊(MEPCM)悬浮液是一种高热容冷却介质,其应用可大幅提高高功率设备液体冷却性能。本文对相变材料微胶囊的制备及其热特性进行了研究,研制了以蜜胺树脂为壁材、22烷为芯材、粒径10微米、不同芯材含量且适合于电子设备液体冷却的双层壁MEPCM。通过光学显微镜以及扫描电镜(SEM)观察到包覆完好的圆球状MEPCM。研究了制备过程中影响粒径以及包覆特性的因素。最后的DSC热分析表明了MEPCM具有很高的蓄热能力。     

涡轮叶片内部微小V肋-凹陷涡复合冷却流动与传热数值模拟

为强化航空发动机涡轮叶片内冷通道传热性能,针对带有微小V肋-凹陷涡高效复合冷却结构矩形通道,采用Abe Kondoh Nagano （AKN） k-ε湍流模型数值模拟研究了肋高与凹陷深度组合对流动传热特性的影响机理。结果表明,当凹陷深度一定,复合结构的强化换热效果随肋高增加而增加,3mm肋高复合结构的传热相比纯凹陷提高了87.1%;当肋高一定,传热随凹陷深度增加先增强后基本保持不变,6mm深凹陷复合结构相比纯V肋提高了52.8%。通过在凹陷上游布置V肋,增强了越过V肋冲入凹陷内流体的湍动能,从而使凹陷前部回流区减小;同时来自微小V肋的涡流与凹陷内部的涡流相互作用,增强了整个流场的动量和热量输运,使通道换热均匀,并相较纯凹陷或纯V肋结构均有显著提升。     

相变材料微胶囊悬浮液在矩形小通道内层流流动传热的实验

本文进行了对比性的实验,以研究相变材料微胶囊(MEPCM)-水悬浮液在水力直径为2.71mm的矩形小通道内的层流流动传热性能.实验中用的MEPCM颗粒的平均粒径为4.97μm,与蒸馏水混合制备成质量浓度范围为0～20%的MEPCM-水悬浮液.对比性的实验是指,在相同的悬浮液质量流量和热力条件下,使用不同浓度的MEPCM悬浮液进行传热实验.实验发现,MEPCM悬浮液的冷却性能严重依赖于悬浮液的质量流量和悬浮液的质量浓度.质量浓度为5%的悬浮液在在整个质量流量范围内总是表现出比水好的冷却性能,它对应的是更低的壁面温度以及更好的传热系数.而对于更高质量浓度的悬浮液,在低质量流量的情况下,它们具有很好的冷却性能;而在高质量流量的情况下,它们表现出的冷却性能比水更差,它们对应更高的壁面温度以及更低的Nusselt数.     

涡轮叶片内冷表面V肋-凹陷复合流动控制强化传热优化设计

通过基于Kriging代理模型的多目标优化方法针对Re=50500条件下矩形通道内单面排布的V肋-凹陷流动控制结构进行优化设计。通过稳态实验及瞬态热色液晶实验充分地验证了数值方法。获得了努塞尔数比最高的结构(肋高径比e/D_h=0.1，凹陷深径比δ/d=0.21，肋-肋间距比P/e=10.8，肋-凹陷间距比L/e=9.9)和综合传热因子(TPF)最高的结构(e/D_h=0.08,δ/d=0.19,P/e=13.5,L/e=12.3)。结合数值模拟解析优化结构的强化传热机理，较高肋(e/D_h=0.1)诱发的强附着流和较深凹陷(δ/d=0.21)的卷吸共同作用导致掠过肋的流体强烈地下洗冲击肋后平板，较大的间距比(L/e=9.9)为流体提供了宽广的附着区域，附着后的流体进入凹陷打破回流区，从凹陷后缘分离冲出后主流剪切并遭遇下排肋前收缩，强掺混增强了湍流热输运。通过改变复合结构中凹陷的位置调控附着后流体的流动以实现强化传热。     

不同流动配置下涡轮叶片交错肋冷却流动传热特性数值模拟

为掌握交错肋冷却结构应用在涡轮叶片不同区域的流动传热性能，针对一种交错肋冷却结构在三种不同流动配置中在等质量流量和子通道雷诺数工况下进行了数值计算研究，三种流动配置包含了径向流动配置（RFC）， 横向流动配置（CFC）和转折流动配置(TFC)。通过比较本研究得到的数值模拟结果与公开文献中的实验数据，定性定量地验证了本次数值计算的有效性。在等冷却质量流量下，RFC配置拥有最高的平均努塞尔数和压力损失，而CFC和TFC配置的平均传热性能相似且明显降低，但压力损失大大减少。在相同的子通道雷诺数下，三种流动配置下的交错肋通道展现出相似的传热强化性能，但TFC配置的压力损失最小。在研究范围内，在RFC配置中肋表面的平均换热比主表面的平均换热约高出16.3%，而在CFC配置和TFC配置中该值则分别高出38.2%以及 30.6%。不同的流动配置会引发子通道内不同的流动特性，包括流动转折和子通道间的交互作用。     

具有气膜出流孔和针肋的双层壁冷却结构内的冲击传热性能

针对具有气膜出流孔和针肋的双层壁冷却结构内冲击传热性能进行了试验和数值计算研究。试验采用瞬态液晶(TLC)热像技术,研究的靶板包括光滑靶板、针肋靶板以及带气膜出流孔的针肋靶板。冲击间距比为1.5,射流雷诺数范围为15 000~30 000。结果表明,针肋+气膜出流孔结构明显改善了下游区域横流的影响,明显提高了传热性能,靶板表面传热分布也更加均匀。相比于平板,当射流雷诺数为15 000时,针肋靶板和带气膜出流孔的针肋靶板端壁表面平均Nusselt数提升幅度最大,分别为6.3%和25.3%。针对双层壁冷却结构内射流冲击传热还开展了数值计算,通过采用SST(Shear Stress Transport)k-ω湍流模型计算分析获得了该双层壁冷却结构内的流动和传热特征。     

具有边缘倒圆凹陷涡发生器换热性能实验

使用瞬态液晶(TLC)热像传热测试技术,对具有边缘倒圆的凹陷涡发生器局部传热特征和流动阻力进行了实验研究。凹陷边缘倒圆方案有2种:凹陷前边缘倒圆和凹陷边缘全部倒圆。凹陷的投影直径与通道高度比为1.0,凹陷深度与直径比为0.2,实验雷诺数范围为10 000~60 000。实验结果表明,在选取的雷诺数下,相比于光滑通道,边缘无倒圆的常规球型凹陷涡发生器阵列表面对流换热性能提升了约62.0%,相应的摩擦因子也增大了约73.0%。与无倒圆的常规球型凹陷涡发生器相比,边缘全倒圆的凹陷涡发生器换热性能提升了约3.6%,摩擦因子降低了约4.6%;前边缘倒圆的凹陷涡发生器换热性能提升了约11.0%,摩擦因子提高了约5.2%。综合看来,边缘倒圆使得凹陷涡发生器内部表面传热更加均匀;前边缘倒圆的凹陷涡发生器综合换热性能最高,比边缘无倒圆的常规凹陷涡发生器高出约9.6%;而边缘全部倒圆的凹陷涡发生器的综合换热性能比常规凹陷涡发生器高出近4.4%。     

涡轮叶片前缘旋流-气膜复合冷却内部流动传热特征实验和数值模拟

为了提高涡轮叶片前缘的冷却效率，本研究提出了一种偏置冲击孔的旋流-气膜冷却结构。在20000～50000雷诺数范围内，对冲击孔居中和偏置分别开展实验研究和数值模拟，得到了两种结构的内部传热、流阻和流场特性。实验通过瞬态液晶热像技术获得前缘内表面的详细努塞尔数分布，并结合数值模拟的结果分析了流场特征，对强化换热的机理做出解释。实验结果表明：叶片前缘内部旋流使总体平均努塞尔数提高4.0%~9.4%，同时压力损失降低5.6%~6.4%。数值模拟结果表明，偏置冲击孔利用叶片前缘曲率较大的结构特性产生了强烈的旋流，使高换热区的面积显著增加，改善了内部换热的均匀性。     

具有针肋的狭窄空间冲击冷却实验和数值计算

对具有全高度针肋扰流的狭窄空间冲击冷却进行了实验和数值计算,并与平板靶板冲击冷却传热性能进行了对比分析.射流冲击雷诺数范围为15000~30000.实验采用瞬态液晶热像技术获得了冲击靶板上详细的传热分布,并通过数值计算获得了冲击冷却系统中的流场和传热特征.实验研究表明:狭窄空间冲击冷却中的针肋靶板端壁上的平均传热性能比平板靶板提高约7.0%,压力损失提高约17.9%,并且针肋改善了靶板端壁上传热均匀性.另一方面,数值计算分析表明近壁面射流以及空间中的上洗涡流与针肋表面发生强烈相互作用,并且针肋显著地增加了换热面积,因此具有针肋扰流的冲击冷却系统具有显著增强的总体传热性能,比平板冲击冷却提高约27.0%.      

具有凹陷涡发生器的网格冷却结构内的流动与传热特性

对一种具有U形子通道以及凹陷涡发生器的新型网格冷却结构内的流动和传热特性进行了实验和数值计算研究,通过数值计算可以较准确地获得网格冷却结构的传热性能和流阻性能.在数值计算模型得到验证的基础上,还分别对具有U形子通道和凹陷涡发生器的网格冷却结构,以及具有U形和矩形子通道的网格冷却结构内的流动和传热性能进行了对比研究.对比研究表明:与矩形子通道相比,U形子通道结构能够改善子通道底部的流动状况,降低流动阻力,但同时也略微降低了总体传热性能;在U形子通道壁面上布置凹陷涡发生器能够显著增强底部流动扰动,大幅提高传热性能,但同时也增加了流动阻力.