冷热微细管交错排列振动强化传热机理研究
随着微系统与纳米技术的飞速发展，微型换热器的研发受到广泛关注，并已成功应于用微电子元器件，微电子机械系统以及微型医疗设备等领域。微型换热器技术被认为是换热器领域有发展潜力的新一代换热技术，其传热机理研究也是热能传递与动力转换以及强化传热节能技术领域的重要研究方向。 微型换热器具有体积小、单位体积换热面积大、单位体积换热量大、高耐压、节约金属材料等优势，结构紧凑，具有较高的传热系数。再被动地增加传热面积来提高换热性能已经意义不大，而需要探索一种新的微尺度传热强化方法或模式。既能保证较高的传热系数，又能较好地克服流动死角，换热器温度分布不均，横向流动冲刷破坏管束等缺陷。 本文的创新在于，第一：提出了一种新型微管换热器，即冷热微管交错分层排列浸没在有中间介质的绝热腔体内，并对该微结构下单对冷热管浸没在绝热圆柱腔体内的流动与传热机理进行了研究；第二：揭示了冷热微细管组的振动强化传热机理,提出了振动强化换热无量纲关系式，给出了振动强化换热的投入与收益的综合评价指标；第三：根据实验结果与数值模拟结果的对比，提出了考虑三维效应的冷热微细管间自然对流换热的Nu预测关联式。 首先，通过实验和LBM数值研究了单对冷热微细管组腔体内静止状态下的换热性能。具体分析了冷热微细管间自然对流换热性能和微细管内的流动传热特性，影响因素包括冷热管布管方式、管内流速、冷热源温差等。并将实验结果与LBM数值模拟结果做了对比分析。主要结论如下： (1)静止状态下单对冷热微细管的性能实验结果表明：微管内外都用水作介质的整体传热系数400-800W/(m2·K)。用极差法分析得出冷热管布置方式对整体传热性能的影响最大，冷热源温差次之，管内流量最小。在不同的布管方式下，整体换热性能随着冷热源温差的增加程度略有不同，热管在冷管下方的布管方式（热下）提升最多，热管在冷管上方的布管方式（热上）次之，冷热水平布管方式最后。明确了微管内层流换热需要考虑入口段效应。管内流动阻力系数可以用常规尺度经典公式计算，但是层流向湍流过渡的临界雷诺数由2300提前到2000。 (2)本实验的研究结果表明，冷热管外自然对流努塞尔数Nuo不仅与冷热管间的瑞利数 Ra1有关，还与冷热管布管方式，冷热源温差，中间流体普朗特数 Pr有关。实验结果与LBM数值计算结果表明：冷热水平布置的实验结果与模拟结果吻合较好，而热上、热下两种布管方式相差略大。研究认为热上和热下这种布管方式腔体内实际自然对流换热与理论二维模拟不同，存在沿冷热管轴向的三维流动，实际自然对流可能是三维螺旋的而不是二维平面的。通过最小二乘法提出了考虑三维效应的冷热微细管外自然对流Nu预测关联式，实验值与预测值偏差在-10％-+10%之间，平均误差在4.3%-14%之间。 其次，实验研究了冷热微细管在中间流体内施加微小振动的强化传热机理。具体研究了振动频率、振幅、冷热管布管方式、冷热源温差、管内流量等因素对冷热管间混合对流Nu的影响，并与以往文献做了对比研究。主要结论如下： (3)本实验条件下，振动实验的整体传热系数500-1200W/(m2·K)。低频振动下管外混合对流Nu都是随振动频率的增加而增加，但对热下，热上，冷热水平三种布管方式，Nu随振动频率增加的程度不同，冷热水平程度最大，热上次之，热下最小。 (4)提出了无量纲振动强化传热关联式，与1964年Lemlich最早提出的单管振动强化关联式相似，表明振动强化传热的倍数h/ho是振动引起的强迫对流项与自然对流项比值0.40.60.26Rev（A/D) Pr Ra的S形曲线函数。相同自然对流强度条件下，振动越强，传热强化倍数越高；相同振动强度下，自然对流越弱，传热强化倍数越高。实验结果表明：振动引起的强迫对流项与自然对流项比值太小，当小于20时，振动强化倍数几乎为1；大于20时，振动强化传热倍数急剧上升。拟合曲线预测值与实验值的h/ho平均误差为6.2%。该换热结构下预测振动强化最大倍数6.16，S曲线较平缓，强化倍数急剧增长的起点在20-30之间。 (5)通过定义振动强化传热量与输入功率的比值评价指标Sy，对该微管换热结构的传热性能进行了综合评价，当输入功率Psr=1 W时，收益为1.7×104W。在输入Psr<1W,在实验范围内收益随振动输入功率的增加而减小。 另外，采用多格子LBM数值方法和直接力嵌入边界LBM数值方法分别研究了封闭方型腔体和圆形腔体内冷热微细管间的自然对流换热。具体讨论了瑞利数Ra，腔体旋转角度A，腔体边界条件，腔体形状等对整体换热性能的影响。提出了绝热圆形腔体内冷热微细管间Nu和Ra, Pr的准则关系式,并与实验结果进行了对比分析。 最后根据研究中发现的一些问题和不足，提出了后续研究和改进的方向，以期能更系统地指导微型换热器设计。
冷热微细管;交错排列;封闭空间;自然对流;振动强化传热;微型换热器
天津大学
博士
工程热物理
戴传山
2014
中文
TK124;TK172.4
147
2015-09-25（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）