涡旋微槽内的单相强迫对流换热性能实验

以体积浓度30%的乙二醇水溶液为工质,采用定热流加热方式,对槽宽0.3mm的4个深度不同的矩形截面涡旋微槽试件的换热性能进行了实验研究.试件所用材料为紫铜,每个试件上分布6个涡旋微槽.实验测量了不同工质流量,不同加热功率下涡旋微槽的换热性能,分析了微槽结构、工质流速对其换热性能的影响,拟合得到相应的换热实验关联式.与平直微槽的换热性能进行了对比,结果表明涡旋微槽散热器的换热性能优于平直微槽散热器.     

基于地面实验的蒙皮换热器高空换热性能分析

面向未来我国大功率机载电子设备冷却需求,需要发展新型机载冷却方式,减少对传统环控制冷系统的依赖,为此研究了一种气/气蒙皮换热器用于电子设备热管理.该蒙皮换热器是一种无能耗被动换热方式,在不增加飞机代偿损失的情况下实现大功率电子设备热管理.为了考核所设计的蒙皮换热器机载飞机环境换热性能,设计加工了实验样件,在地面开展了换热性能实验研究工作,获得热边流动传热准则和对流换热系数.在此基础上推演出高空巡航状态下的蒙皮换热器换热性能,获得传热最不利安装位置和改进位置时的传热性能.研究工作预期为未来我国基于蒙皮换热器的飞机综合热管理提供设计及机载应用技术支持.     

矩形微槽乙醇水溶液传热特性数值模拟

由于影响微槽传热特性的因素较多,实验研究结果相互矛盾,使得实验研究和数值仿真相结合成为进一步深入认识微槽传热特性的有效手段.在实验研究的基础上,采用有限体积法对矩形微槽中体积浓度30％的乙醇水溶液传热特性进行了三维数值模拟. 矩形微槽采用两种不同对称结构和热边界条件,进口采用流动完全发展边界条件.对不同对称结构和物性条件(常物性和变物性)的计算结果进行了比较,并与实验结果进行了对比.研究表明,对所研究微槽结构和工质,采用流动完全发展进口条件,以及随温度变化的热物性参数,数值计算结果与实验结果基本吻合.      

考虑制造约束的印刷电路板式换热器优化设计

针对印刷电路板式换热器(PCHE)的微流道结构参数设计制造一体化问题,开展了考虑制造约束条件的换热器性能优化的研究。通过流体仿真分析了流道宽度、深度和深宽比对温度分布、压力损失和换热系数的影响。使用多目标遗传算法(MOGA)建立了换热性能的多参数多目标性能优化仿真模型,根据性能优化获得的设计参数建立微流道结构辊压成形工艺仿真模型,得到制造约束条件,将制造约束反馈到性能优化仿真模型中,得到宽为0.29 mm、深为0.39 mm的矩形微流道优化设计参数,且通过辊对辊(R2R)的辊压工艺实验验证了该优化方法的可行性。考虑制造约束的换热器优化设计方法在性能优化设计阶段引入工艺限制条件,是实现换热器一体化设计制造的有效手段。     

Y形构形微通道流动换热特性的数值分析

针对矩形芯片提出了Y形构形微通道的芯片内部冷却结构,通过三维数值计算比较了Y形构形微通道与传统直微通道中的流体层流流动和换热特性,并对Y形构形微通道的重要结构参数进行了优化.研究表明:在相同对流换热面积和水利直径的条件下,Y形构形微通道具有比直微通道更高的传热效率和更低的进出口压降,可以满足高热负荷需求.在研究范围内通道级数为3级、分叉角度为60°、分支个数为2时,散热器的综合换热性能最好.以上结论为Y形构形微通道的结构设计提供了重要依据.     

宽高比对微小通道空气流动换热特性影响实验

针对不同宽高比微小矩形通道内流动和换热特性进行了实验研究.微小矩形通道宽0.4mm,宽高比分别为2/5、1/2、2/3和1.实验以空气作为工质.流动雷诺数Re范围是200~1600.实验结果表明:宽高比对微小矩形通道流动换热特性的影响不可忽略.微小矩形通道摩擦因子随着Re增大而减小,泊肃叶数Po随着Re增大而增大,二者随着宽高比增大同时减小;努塞尔数Nu随着Re增大而增大,随着宽高比增大而减小.针对宽高比对微小矩形通道流动换热特性的影响拟合了相应经验关系式.      

管壳式换热器的一种优化设计

换热器的结构优化涉及到多参数的耦合问题.区别于以往优化方法只是将换热器单个性能涉及因素作为目标函数,选取换热器性能涉及因素中的换热体积和换热过程压降损失为优化对象,以湿空气与水热交换作为具体工况条件,分析了管壳式换热器的传热和压降模型,得到了管壳式换热器设计的优化结果,找到了一种综合考虑换热器体积以及换热过程压降损失的换热器结构设计方法.与普通设计方法相比,该方法可以有效减小换热器体积与传热过程压降损失.     

载人航天器舱内气压下降时的空气强制对流换热

为了在载人航天器的热控制中评估舱内气压下降对空气强制对流换热能力的影响,分析了空气流动参数和物性参数随舱内气压的变化规律,指出了已有的经验关联式中压力和换热系数的关系,并用数值方法进行了验证。分析结果表明空气强制对流的换热能力随舱内气压的下降而下降,当气压低于3.04×104Pa后,空气强制对流对设备散热的贡献已经非常有限。     

轴向通流旋转盘腔流动换热稳态实验与数值模拟

通过开展稳态实验及数值模拟探究了轴向通流旋转盘腔的流动结构与换热特性。通过改变流量系数、旋转雷诺数等参数,探究不同工况下旋转盘两侧及盘罩内侧壁面温度和努塞尔数的径向分布规律。结果表明:在轮缘加热的状态下,旋转盘两侧温度径向分布均呈凹函数形态,且旋转盘迎风面换热强度普遍高于背风面;后轴颈盘罩向两端旋转盘导热,其壁面温度径向分布呈"中间高、两侧低"的状态;随着轴向流量系数的增大,盘腔内部气体对流加剧,径向臂及涡对结构更加明显,旋转盘及轴颈表面换热效果增强;旋转盘腔内的流动换热特性受强迫对流和类Rayleigh-Benard对流2种机理的共同影响。      

星载电子器件用空气射流散热特性

在前期设计卫星大功率电子设备地面测试用通风散热系统的基础上,对系统散热性能进行了优化设计,对不同结构参数下电子器件的空气射流强化散热开展了数值仿真.研究结果表明系统中喷嘴出口直径、喷嘴出口至换热面距离、射流倾斜角以及喷嘴出口风速等参数对散热性能均有直接影响,并给出了定量的无量纲参数优化设计结果.该结论也可应用于表面热流密度为1 kW/m2级电子器件散热的优化设计,并为星载大功率电子设备对流式热控系统设计和地面测试提供技术参考.      

天舟一号货运飞船空间实验装置蒸发相变地面实验

以天舟一号货运飞船为依托,开展空间蒸发相变传热规律的科学实验研究,探索重力对蒸发传热传质过程的影响规律.设计了一套地面蒸发实验平台,以蒸发相变液体FC-72为研究对象,通过红外热像仪测温、热流量计、差分热电偶等手段,观测FC-72液层在不同台面温度、注液量等情况下的相变界面变化、蒸发表面特性、流体物性及Marangoni对流涡胞的变化等,获取其蒸发两相流体的液层温度差、表面温度场、热流量值、蒸发速率和涡胞结构等.实验结果表明:在其他条件不变的情况下,FC-72液层与蒸发台面的温差越高,其蒸发速率越快;注液量越大,蒸发速率也越大;在蒸发过程中出现了浮力对流涡胞和Marangoni对流涡胞.此外,通过地面蒸发实验可以确定空间科学实验选用的实验介质和材料,进而优化确定空间科学实验的工况、参数及流程等,部分地面实验结果也将直接成为天地对比实验的科学成果.      

涡旋微槽流动与传热特性数值模拟

涡旋微槽散热器具有传输高热流密度的潜力,在解决航空航天高功率密度器件热控制方面具有广泛应用前景.在实验研究的基础上,采用有限体积法对不同体积流量和槽道结构的涡旋微槽中的流动与传热特性进行了数值模拟研究.对涡旋微槽流动的稳定性进行了分析,给出了摩擦因子和Nu数沿流动方向的变化曲线,并采用场协同原理对涡旋微槽强化传热的机理进行了探讨.计算得到的微槽平均传热系数和摩擦阻力系数与实验数据进行了对比.结果表明:涡旋微槽中二次流的出现是涡旋微槽强化传热的机理所在.     

矩形通道中亚尺度肋片的流动换热数值分析

对装有不同结构亚尺度肋片矩形通道的流动和换热进行了数值模拟,获得了通道流场、温度场分布以及平均努塞尔数的基本特征,对各种肋片通道的换热特性进行了对比分析.计算结果表明:亚尺度肋片距主肋片根部越近越有利于散热;在远离热面区域,亚尺度肋片的比表面积越大传热效果越好.当扩展表面积相同时,亚尺度肋片的长宽比越大换热效果越好;计算结果及分析揭示了控制肋片最优几何形状的统一原则——广义温度梯度均匀化原则,并依照此原则确定了可以强化换热的较优的肋片结构.计算分析表明广义温度梯度均匀化原则可以控制对流换热过程的传热强化.      

蒸气在铜表面冷凝的可视化实验

通过建立蒸气冷凝过程的可视化实验装置,在地面重力条件下对蒸气在铜表面的冷凝情况进行实验.采用高速摄像仪对蒸气在铜表面上发生的冷凝过程进行观测,并对比分析了H₂O,R141b以及FC-72蒸气的冷凝情况.研究发现水蒸气在冷凝过程中一些大液滴在合并周围小液滴后会发生回弹现象,从而清理掉周边区域的小液滴.随着冷凝的进行,被清理掉小液滴的区域又会重新生成小液滴.这种回弹现象相当于延长了滴状冷凝的时间,从而起到强化冷凝换热效果.R141b及FC-72在光滑铜表面上均未发生滴状冷凝.在加大过冷度后,冷凝器内残留的空气还会在冷凝液膜上冷凝成小水滴,产生滴膜共存现象.水蒸气在铜表面冷凝过程中,滴状冷凝转换成膜状冷凝后热流量降低约20%,因此需要对铜表面进行改性处理,降低其表面能,从而强化冷凝换热.      

Numerical study of forced convective heat transfer around a spherical aerostat

Forced convective heat transfer is one of the major factors that dominate the thermal behaviors of aerostats. Due to the large physical size, the convection around an aerostat has high Reynolds numbers. The existing forced convective heat transfer correlations are limited to the Reynolds number lower than 10⁵, which are not appropriate for aerostat applications. Therefore, it is necessary to obtain a convective heat transfer correlation applicable to spherical aerostats at high Reynolds numbers. In this paper, steady convective heat transfer from an isothermal spherical aerostat is numerically investigated. The numerical simulation is carried out by commercial computational fluid dynamic software with the Reynolds number from 20 to 10⁸. The average Nusselt numbers are obtained and compared with those of available in literature. Based on regression and optimization with software, a new piecewise correlation of Nusselt number is proposed. The verification shows that the new correlation is reliable.     

动载对管内汽水两相流流阻、空隙率和传热的影响

利用旋转平台对动载作用下单相水和沸腾两相流流动及传热特性进行了实验研究.通过改变旋转速度、入口温度、液体流量等参数,获得了静止和旋转2种状态下的单相水及沸腾两相流实验数据.对旋转状态下的管内两相流型进行可视化拍摄,得到了动载作用下的两相流型图.结果表明,过载方向与流动方向相反时,过载越大,管内压力和流阻越大,液相流量、空隙率和流体得热量越小.可见,动载阻碍流体向前流动,强化了管外散热,削弱了管内流体的相变换热能力.     

低真空、微重力对空间装置中气体自然对流传热的相似影响

以空间装置中气体自然对流传热问题为目标,导出显含温度和压强两个独立热力学参数的Rayleigh 数和Knudsen 数的表达式,分析了各个特征压强段气体传热的不同状态,比较了在连续介质流动中低真空(压强大于10Pa)和微重力对空间装置中气体自然对流传热的相似影响,导出了气体压强与重力对低真空气体自然对流的影响的相似性关系式,由此可以推断低真空或微重力状态下气体自然对流的强弱的相互关系。