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逆流相分离结构微细通道流动沸腾传热与均温性研究

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化工学报 2024年

作者：罗小平侯云天范一杰华南理工大学机械与汽车工程学院

为探究不同相分离结构参数对强化微细通道流动沸腾传热性能和均温性的影响，加工制作了带有不同相分离结构的平行逆流微细通道试验段，分别为：相分离结构(Phase Separation Structure， PSS)位置不同的PSS-1(上下游均匀分布)、PSS-2(... 详细信息

为探究不同相分离结构参数对强化微细通道流动沸腾传热性能和均温性的影响，加工制作了带有不同相分离结构的平行逆流微细通道试验段，分别为：相分离结构(Phase Separation Structure， PSS)位置不同的PSS-1(上下游均匀分布)、PSS-2(上下游靠近中部)和PSS-3(上下游靠近两端)，其中PSS-1分为A、B、C三种，分别对应4孔、6孔和10孔。以乙醇为试验工质，在有效热通量为17.12 kW/m2～87.25 kW/m2，入口温度为70℃，质量流速为86.11 kg/(m2·s)的工况下，对截面为2 mm×2 mm的矩形微细通道开展了流动沸腾试验，并利用高速摄影仪对通道进行了可视化研究，通过引入传热强化因子和壁面温度标准差，研究了不同相分离结构对强化微细通道传热性能和均温性的影响以及相分离结构在高压和低压通道内的强化机制。研究表明，传热强化效果随相分离排气孔数的增加而提升，相分离结构位置对传热特性的影响在高压通道和低压通道内有所不同，此外PSS-1-C微细通道的温度均匀性最好，在热通量为83.11 kW/m2时微细通道平均壁面温度较无相分离相同通道降低了1.9℃，温度标准差降低了14.2%。可视化图像表明，相分离结构在压差的作用下能实现气相转移，进而强化传热。

关键词：微通道相分离结构逆流流动沸腾传热两相流均温性

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基于拓扑优化方法的蛛网散热结构均温性研究

储能科学与技术 2024年第5期13卷 1721-1730页

作者：张坎付婷王江波武汉科技大学湖北武汉430081

仿生蛛网散热结构在高热流密度芯片散热方面有着广泛的应用,但仍然存在散热结构温度分布不均的问题。为进一步提升蛛网散热结构的温度均匀性,提出利用变密度拓扑优化方法对蛛网结构进行优化设计。以设计域温度方差最低为目标函数,采用... 详细信息

仿生蛛网散热结构在高热流密度芯片散热方面有着广泛的应用,但仍然存在散热结构温度分布不均的问题。为进一步提升蛛网散热结构的温度均匀性,提出利用变密度拓扑优化方法对蛛网结构进行优化设计。以设计域温度方差最低为目标函数,采用霍尔姆兹密度过滤保证求解的数值稳定性,采用双曲正切投影保证清晰的流道形态,通过分析不同进出口布置和不同设计域形状下得到的拓扑流道的传热性能,发现多入口多出口且交错布置的方式能有效提高拓扑流道的均温性,且设计域边数在十以内其拓扑流道均温性呈上升趋势。最后,通过有限元分析的方法,对传统结构M1和不同设计域边数的三维拓扑重构结构M2、M3进行模拟仿真。结果表明,设计域边数为十的M3温度均匀性优于传统通道M1和设计域边数为六的M2,在Re=1800时,M3热阻相比于M1降低了18.48%,热源面温差相比于M1降低了25%,综合传热性能评价因子PEC值达到1.22。本研究提出并验证了拓扑优化方法在提升蛛网散热结构均温性方面的有效性,有助于推动拓扑优化方法在散热结构上的应用。

关键词：蛛网结构拓扑优化数值模拟均温性

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竖直铯热管传热特性的实验和数值模拟

化工进展 2024年第4期43卷 1711-1719页

作者：赵吉隆郭宇翔陈宏霞袁达忠杜小泽华北电力大学电站能量传递转化与系统教育部重点实验室北京102206 华北电力大学能源动力与机械工程学院北京102206 中国科学院工程热物理研究所北京100190 中国科学院大学北京100049

近年来,有关中温铯热管的研究较少,主要因为铯热管造价昂贵且铯金属化学性质活泼,开展实验难度较大,因此通过数值模拟方法对铯热管启动特性与内部相变等过程进行分析预测具有重要意义。首先,本文开展铯热管冷启动实验,并基于目前的热管... 详细信息

近年来,有关中温铯热管的研究较少,主要因为铯热管造价昂贵且铯金属化学性质活泼,开展实验难度较大,因此通过数值模拟方法对铯热管启动特性与内部相变等过程进行分析预测具有重要意义。首先,本文开展铯热管冷启动实验,并基于目前的热管模拟模型,利用UDF建立蒸发与冷凝的自适应模型,对比实验热管稳态壁温与数值模拟计算壁温,最大温差小于20K,且较好地呈现了热管末端的温度突降,证明了模型的准确性。其次,基于竖直铯热管变功率冷态启动实验,模拟获得铯热管启动过程中热管壁面温度及内部工质相态分布的演变过程;并利用壁面温度的平均差数值评价有效长度上的均温性。最后,通过模拟研究改变热管蒸发段长度(200mm和120mm)、加热功率(1028.2W和844.4W)及充液率(8.8%、12%和15%),对比分析其相态分布、温度分布及压力分布;综合热管有效工作长度、壁面均温性、蒸发段液相堆积与干烧现象,分析蒸发段长度与充液率的最佳配比,为热管的优化设计提供基础。

关键词：传热多相流数值模拟热管相分布均温性

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一种铜基逆流连通微通道的沸腾实验研究

工程热物理学报 2024年第7期 2111-2117页

作者：王东玉洪芳军张朝阳上海交通大学机械与动力工程学院工程热物理研究所上海交通大学巴黎卓越工程师学院

两相微通道热沉具有极高的传热性能，是解决小空间、高功率电子器件高热流散热问题的有效解决方案之一。本文设计验证了一种铜基逆流连通微通道，通过建立泵流体两相流体回路系统进行验证两相微通道热沉的和换热均温性能，考察不同流量... 详细信息

两相微通道热沉具有极高的传热性能，是解决小空间、高功率电子器件高热流散热问题的有效解决方案之一。本文设计验证了一种铜基逆流连通微通道，通过建立泵流体两相流体回路系统进行验证两相微通道热沉的和换热均温性能，考察不同流量、过冷度下的影响规律。实验发现逆流连通微通道在传热性能上的优异表现是主要是因为其能促进相邻通道不同干度流体的掺混，提高流量会提高均温性，而提高过冷度会导致热沉的均温性变差。

关键词：微通道连通沟槽流动沸腾均温性

基于并联蛇形流道的动力电池冷媒直冷热管理系统研究

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储能科学与技术 2024年

作者：宋旭孙楠楠曹恒超朱桂香李孟涵刘晓日饶中浩潍柴动力股份有限公司河北工业大学能源与环境工程学院先进储能技术与装备河北省工程研究中心河北工业大学化工学院

对于使用冷媒直冷的动力电池热管理系统，制冷剂在管道内流动沸腾，管道过长造成电池包底部冷板流道内存在过热段，进而导致电池包的温差以及电池本身垂直方向上的均温性较差。本文针对一个含有48个方形电池的电池包，设计了两种并联蛇... 详细信息

对于使用冷媒直冷的动力电池热管理系统，制冷剂在管道内流动沸腾，管道过长造成电池包底部冷板流道内存在过热段，进而导致电池包的温差以及电池本身垂直方向上的均温性较差。本文针对一个含有48个方形电池的电池包，设计了两种并联蛇形流道结构的直冷板置于电池包底部来改善单蛇形流道所造成的电池包温度均匀性较差的问题。比较了电池包在30℃初始温度下1C倍率充/放电结束时三种直冷板流道内的平均温度和温度均匀性；比较了这三种流道结构下电池包的最大温度以及最大温差，分别分析了三种流道结构的电池包在水平方向上和竖直方向上的温度均匀性，并且提出了一种在电池包上层增设一个环绕小冷板的形式来优化电池包竖直方向的温差。分析结果表明，底置冷板的方式可以将电池包的最高温度控制在40℃以下并且可以保证电池包水平方向的温度均匀性，但电池包竖直方向上的温差过大，通过加设上层小冷板可以保证电池包竖直方向上的温差在整个充放电过程中位于5℃以下，满足电池包的温控要求。

关键词：动力电池热管理冷媒直冷并联蛇形流道均温性

液冷热沉板对某型热阻测试系统精度影响的研究

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舰船电子对抗 2024年第3期47卷 96-102,108页

作者：倪明侯世红中国电子科技集团公司第二十研究所陕西西安710068

热流法作为测试接触热阻的主流方法,被国内外各类院校、实验室等广泛应用。诸多同类型测试平台的搭建主要依照美国国家标准ASTM D547006中的实验设备,该类型设备中常以恒温水箱及热沉板作为低温端冷却源,其中热沉板作为与测试体直接接... 详细信息

热流法作为测试接触热阻的主流方法,被国内外各类院校、实验室等广泛应用。诸多同类型测试平台的搭建主要依照美国国家标准ASTM D547006中的实验设备,该类型设备中常以恒温水箱及热沉板作为低温端冷却源,其中热沉板作为与测试体直接接触导热的系统热沉端,其良好的热交换能力及均温性能对热阻测试系统测量精度影响较大。为提升热阻测试系统测量性能,某型热阻测试系统研发过程中,设计了一款新型低温热沉板,对其流道构型进行了优化。针对该型热沉板传热特性进行了数值计算,通过分析测试系统的系统误差,拆解误差因子,进行数值计算等方式量化了热沉板流道设计对测试体均温性、误差因子及系统总误差的数值影响。研究结果表明:热沉板进液流量3 L/min,热源功率200 W工况下,优化后的热沉板较传统构型热沉板,均温性提升38.7%,系统误差最高可降低13.9%。

关键词：热流法热沉板均温性系统误差

电场与相分离结构协同作用下微细通道流动沸腾强化传热及均温性研究

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电场与相分离结构协同作用下微细通道流动沸腾强化传热及均温性研...

作者：杨书斌华南理工大学

学位级别：硕士

随着国防、能源和医疗等领域的高热流密度散热需求的日益增大,导致传统散热器不能满足相应需求,对此本文通过研究电场与相分离结构协同作用下平行逆流通道传热性能,以达到高热流密度的散热需求。相分离结构为PTFE疏水多孔膜,置于两逆流... 详细信息

随着国防、能源和医疗等领域的高热流密度散热需求的日益增大,导致传统散热器不能满足相应需求,对此本文通过研究电场与相分离结构协同作用下平行逆流通道传热性能,以达到高热流密度的散热需求。相分离结构为PTFE疏水多孔膜,置于两逆流通道之间的前后部,其作用是对高干度区域实现气液相分离,减小受限气泡长径比,从而强化传热。主要研究内容如下:(1)相分离结构微细通道强化传热研究。开展了三种相分离结构PSS1、PSS2、PSS3微细通道流动沸腾传热研究,为了满足相分离结构PTFE多孔膜气液相分离所需的压力差条件,对顺流和逆流通道进口工质设置周期性高低压变化,在此基础上研究换向周期对相分离结构微细通道传热性能的影响。通过分析三种相分离结构前后周期的沸腾传热曲线,探究不同相分离结构对壁面过热度、局部饱和沸腾传热系数的影响。除外研究了入口过冷度对相分离结构微细通道传热性能的影响。采用高速摄影仪对三种相分离结构流动沸腾进行可视化拍摄,对可视化中受限气泡长度变化情况进行分析,探究了相分离结构强化传热机理。研究结果表明:在本文实验工况范围内,与无相分离结构相比,相分离结构的局部饱和沸腾传热系数最大提高了26%。(2)电场与相分离结构协同作用下微细通道强化传热研究。改变相分离结构和电场外加电压大小来进行电场与相分离结构协同作用下微细通道流动沸腾传热研究,施加电场电压范围为400 V、800 V、1200 V、1600 V,相分离结构为PSS1、PSS2、PSS3,通过这两种参数12种组合,结合高速摄影仪进行可视化拍摄,探究了电场与相分离结构协同作用下强化传热机理。重点研究三种气相分离结构对电场有效强化传热热流密度分布的影响。利用现有的6种传热模型进行饱和沸腾传热系数预测,提出电场因子和相分离结构因子对传热模型进行修正。在本文实验工况范围内,与无外加电场无相分离结构工况相比,相分离结构、单独电场、电场与相分离结构协同作用的局部饱和沸腾传热系数最大分别提高26%、43%、65%。相分离结构有效改善了电场在高热流密度下的强化传热效果。(3)电场与相分离结构协同作用下微细通道沿程均温性研究。首先研究三种相分离结构PSS1、PSS2、PSS3对平行逆流微细通道沿程壁面温度分布的影响,然后研究电场与相分离结构协同作用下微细通道沿程均温性,外加电场电压范围为400 V、800V、1200 V、1600 V。通过微细通道沿程壁面温度标准差,研究不同相分离结构、不同电场及两者协同作用下微细通道沿程壁面温度均匀性,研究结果表明单独电场作用下只能小幅度降低平行逆流微细通道沿程壁面温度标准差,而无电场相分离结构可以显著降低沿程壁面温度标准差,电场与相分离结构协同作用后,沿程壁面温度标准差进一步降低,微细通道沿程均温性进一步提高。

关键词：微细通道电场相分离结构流动沸腾均温性

组分及形状对冷冻猪肉射频解冻均温性影响研究

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组分及形状对冷冻猪肉射频解冻均温性影响研究

作者：陈祥庆上海海洋大学

学位级别：硕士

猪肉是我国的肉类消费主体,其中冷冻猪肉是主要的消费形式和流通形态,同时也是我国储备肉的重要组成部分。冷冻猪肉在进行下一步加工或者食用之前一般需经解冻处理,而解冻过程的速率和温度均匀性对肉品品质有重要影响。相比于解冻速率... 详细信息

猪肉是我国的肉类消费主体,其中冷冻猪肉是主要的消费形式和流通形态,同时也是我国储备肉的重要组成部分。冷冻猪肉在进行下一步加工或者食用之前一般需经解冻处理,而解冻过程的速率和温度均匀性对肉品品质有重要影响。相比于解冻速率慢、高污染风险的传统解冻方式,射频解冻技术由于具有解冻速率快和穿透深度大的优点,近年来受到了广泛关注解冻不均仍是射频解冻技术商业化应用中的主要障碍。射频解冻均温性与待解冻产品的组成成分,形状和厚度等有关。揭示待解冻产品的特性(包括:组分分布形式,外形和厚度等)对射频解冻均温性影响规律,将有助于推进射频解冻技术的商业化应用。本文以冷冻猪肉为研究对象,首先测量并分析了猪肉的介电特性和热特性随解冻温度的变化,然后分别从组分分布形式,样品中不同位置处的厚度变化及不规则形状对射频解冻均温性影响进行了研究。具体研究内容为:(1)分别测量瘦肉,肥肉和肥瘦均匀混合三种类型的猪肉在2～302MHz频率下-20～20℃温度范围内多个温度梯度下的介电特性和在-20～20℃温度范围内的热特性;分析频率和温度对介电特性(介电常数和损耗因子)的影响以及温度对热特性(热导率和比热容)的影响;(2)以等体积的肥肉和瘦肉组成体积为8×8×8cm猪肉块为例,运用COMSOL Multiphysics(?)研究等体积的瘦肉和肥肉以12种不同组合方式结合时对射频解均温性影响,并进行实验验证;(3)以组分单一(纯瘦)、尺寸为14×10×2 cm的样品为例,采用COMSOL Multiphysics(?)有限元仿真软件对样品中不同位置(棱边,棱角和中间)处厚度不同程度变化(-50%,-25%,0%,+25%,+50%)对射频解冻均温性影响进行研究;(4)基于前一章研究内容之上,采用三维扫描技术结合数值模拟的方式,对复杂外形及厚度不均匀样品的射频解冻温度分布进行了研究。研究结论如下:(1)猪肉的介电特性受频率、温度和组分含水率影响。在温度不变的条件下,介电特性随着频率的增大而降低,在频率2～50 MHz之间下降最快;在频率27.12 MHz下的介电特性,在-20至-10℃之间缓慢增长且三者之间无显著差异,在-10至0℃之间随着温度的升高而快速增大且含水率越大值越大;温度到达0℃以后,介电常数基本趋于平稳,而介电损耗因子继续以较高的速度增长且三者之间的差异越来越大。三种类型肉的比热容除在-5至5℃之间出现先快速增大后快速减小的变化之外,在其它温度范围基内本保持不变;而热导率则在0℃出现了骤降,在其它温度下基本稳定。(2)在组分聚集度相等的条件下,肥肉位于样品上半部分位置或被瘦肉包裹在样品中间位置时,可获得较好的解冻均温性;当组分聚集度相等而分布方向不一致时,组分平行电场方向可提高解冻均温性(最大可提高43%);降低组分聚集度有助于提高解冻均温性。(3)在相等厚度变化条件下,棱角位置对样品热点温度影响最大(=45.6℃),中间位置影响最小。在厚度变化±25%下,对冷点温度影响最大的是中间部分且中间部分的三种不同划分形式之间基本无差异(ΔT均温性影响最大,其次是棱角位置,中间位置影响最小(ΔTUI<0.005)。(4)样品中间位置处厚度变化对射频解冻后样品表面温度无显著影响(ΔT<5℃);而样品边角位置处厚度增大易造成过热现象且样品底面位置过热程度较大;通过三维扫描技术获取不规则样品几何外形文件,能够精准预测射频解冻样品表面温度分布。

关键词：射频解冻均温性数值模拟组分分布不规则形状

高温氢气环境蠕变持久试验装置的试样均温性控制

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焊接学报 2016年第5期37卷 65-68,132页

作者：刘孝亮陈学东王冰范志超庄庆伟范辉迟成芳合肥通用机械研究院合肥230031 国家压力容器与管道安全工程技术研究中心合肥230031 长春机械科学研究院有限公司长春130103

试验过程中,试样有效段的温度均匀性(即均温性)直接影响测试结果的可信性与精度.为此,从装置的热结构和温控策略两个方面入手以保证试验过程中试样有效段的均温性.通过分析原有热结构热场分布找出试样上段温度过高的原因,在密封钟罩顶... 详细信息

试验过程中,试样有效段的温度均匀性(即均温性)直接影响测试结果的可信性与精度.为此,从装置的热结构和温控策略两个方面入手以保证试验过程中试样有效段的均温性.通过分析原有热结构热场分布找出试样上段温度过高的原因,在密封钟罩顶端增加水冷结构以带走聚集热量;提出Fuzzy-PID混合控制策略,采用Fuzzy控制调整上、下段加热电阻丝输入功率上限,再结合传统PID控制实现加热过程中输入功率的智能控制.结果表明,相对原有热结构及传统PID温控策略新结构,Fuzzy-PID温控策略有效的提高了试样有效段均温性,将其上、下段温差控制在±1℃以内,满足蠕变持久测试需求.

关键词：试样均温性模糊控制氢损伤材料试验装置