基于粘弹性流体的微型换热器强化传热机理研究.pdf

南昌大学
硕士学位论文
基于粘弹性流体的微型换热器强化传热机理研究
姓名:彭婷
申请学位级别:硕士
专业:流体机械及工程
指导教师:周国发
20120610
摘要微型换热器是一种超紧凑式换热器,它具有体积小、单位体积传热面积大的特点,广泛应用于航空航天、医疗、微电子、材料科学、高温超导体的冷却、化学生物工程、强激光镜的冷却、薄膜沉积中的热控制,以及其他一些对传热设备的尺寸和重量有特殊要求的场合。最常见的一种微型换热器是微通道换热器,其流动通道一般是在很薄的硅片、金属或其他材料的薄片上加工而成。已有研究表明,在宏观条件下,选用粘弹性流体作为换热器的传热介质具有显著的传热强化效果。将粘弹性流体与微通道换热器技术有机结合,有望成功研制出一种强化传热性能更强的新型微通道高效强化传热技术。因此,本文将通过数值模拟方法研究粘弹性流体在微通道内的流动和传热过程。通过与纯粘性流体传热效果的对比,研究粘弹性流体的传热强化效果。并基于流变学理论,通过粘弹性流体二次流动的特性,解释微通道内粘弹性流体传热强化机理。此外,本文通过数值模拟的手段研究了粘弹性流体与脉动流动的耦合强化传热过程,探讨过程参数对脉动流动强化传热过程的影响规律和机理。本文主要取得以下成果:诤侠淼募蚧⒓偕枰约氨呋翁跫⒘嗣枋稣车粤魈逶谖⑼ǖ内流动与传热过程的全三维理论模型。芯勘砻鳎疚乃兄频男滦臀⑼ǖ栏咝炕然蝗绕骺墒瓜钟衅通微通道换热器的强化传热效果提高ヒ陨稀K孀糯冉橹柿魈辶魉俚脑龃螅新型微通道高效强化传热换热器相对于普通微通道换热器的强化效果越来越明显,因此增加传热介质流体流速可以提高其传热强化效果。本文所研制的新型微通道高效强化传热换热器具有较强的强化传热效果的根本原因是其传热介质即粘弹性流体在流动和传热过程中具有较强的二次流动强度。芯勘砻鳎⑼ǖ滥谡车粤魈迓龆鞫奶寤髁考尤ㄆ骄隹谖度均高于微通道内粘弹性流体稳态时的出口温度,即脉动流动能够使得粘弹性流体的传热效果得到进一步强化。且脉动流动对微通道内的粘弹性流体的传热过程的影响效果取决于脉动流动的频率和振幅,随着频率和振幅增加,粘弹性流体的传热效果增强。此外,在相同的流阻特性,传热特性参数以及脉动流频率和振幅的条件下,微通道内粘弹性流体与脉动流动耦合强化传热的效果要好
于纯粘性流体与脉动流动耦合强化传热效果,且粘弹性流体与脉动流动耦合强化传热效果相对于纯粘性流体与脉动流动耦合传热效果的增幅随着频率和振幅的增大而增大。关键词:微通道;数值模拟;粘弹性流体;二次流动;强化传热;脉动流摘要
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苨捎诰哂斜壤淠鞲玫男阅埽惴旱卦擞糜诳盏鳎评湟约叭第滦髀微通道换热器简介微通道换热器是一种高效节能地传热装置。它由一系列扁平的多口管及百叶式的翅片组成。这些部件能够提高换热器的传热性能并且保持较小体积。通常微通道换热器由铝制成,铝能防腐蚀,可用于高压环境,能够通过挤压成型生产。且铝制微通道换热器比传统的翅片管换热器更轻便小巧。微通道换热器泵系统中。比起传统的翅片管换热器,微通道线圈具有更加紧凑的排列方式,如图。由于具有多口管,在相同的尺寸下,微通道换热器具有更大的表面积,这使得传热性能大大提高与传统换热器相比,微通道换热器具有以下几个优点【浚胗么辰鹗艄ひ罩圃斓幕蝗绕飨啾龋⑼ǖ阑蝗绕鹘峁垢=舸眨这是因为微通道换热器内极高的表面积密度大大地减小了换热器的体积。因此,用于生产换热器所需材料的重量和体积显著地减少了。此外,封闭的循环系统内,系统中流体的总量也相应地减小了。这对于要求部件体积小质量轻的设备是十分重要的一点,例如航天航空设备。饪碳际跏沟媚茉诟呔范鹊厣⑼ǖ阑蝗绕鞯耐笔迪峙可产,且生产成本相对较低。在实际生产过程中,通过多道精密加工过程,能够准确地控制微通道换热器的几何形状。这使得能够跟据需要设计出高效的微通道换热器。图微通道换热器结构
⑼ǖ阑蝗绕鞯恼宕刃实到提高。⑼ǖ阑蝗绕骶哂懈斓亩煊Γ蛭;蝗绕髡宓娜热萘看蟠蠼低了。因此,系统能够在更短的时间内达到稳态。此外,由于两流体之间的分界面很薄,所以流体的瞬时温度响应也变快了。⑼ǖ阑蝗绕髦锌梢郧度氪ǜ衅鳎糜谑凳辈饬俊R蛭4ǜ衅髂芄辉精密生产的过程中集成在微通道换热器中,所以嵌入传感器的费用,尺寸和重量都降低了。从年代开始,涌现出对微型管道对流传热特性的研究。的研究启发了很多学者开始定义微通道内的流体流动及其对对流传热系数的影响。许多学者通过实验研究的方法探索微尺度下流体流动和传热特性。ü笛檠芯苛怂图状纪ü匦挝⑼ǖ朗钡单相强制对流流动情况,以及当液体流过微通道时,微通道几何形状对流体流动和传热的影响。实验管道由