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不同表面粗糙结构池沸腾换热特性的实验研究

不同表面粗糙结构池沸腾换热特性的实验研究

作者：王伟上海交通大学

学位级别：硕士

沸腾传热是一种在工业界被广泛应用的传热技术，在冶金、化工和能源动力领域有着极其重要的地位，特别是Moore定律提出后，电子芯片的冷却问题越来越突出，沸腾传热由于占用空间小、换热效率高的优势，获得了各国学者的广泛关注。本论... 详细信息

沸腾传热是一种在工业界被广泛应用的传热技术，在冶金、化工和能源动力领域有着极其重要的地位，特别是Moore定律提出后，电子芯片的冷却问题越来越突出，沸腾传热由于占用空间小、换热效率高的优势，获得了各国学者的广泛关注。本论文关注于表面粗糙结构对池沸腾换热特性的影响，进行了相应的实验和分析，为进一步强化换热提供了实验依据。本论文首先设计、搭建了池沸腾实验系统，并分别进行了不规则分形表面和规则波形表面的池沸腾实验。在分形表面的表征研究中，使用了功率谱函数和结构函数两种方法。通过对比，归纳出部分机加工手段与表面轮廓分形参数之间的关系，并指出对于本文所涉及的机加工表面，前者求解的分形参数优于后者。不规则分形表面的池沸腾实验结果表明：换热表面的换热系数并不随表面平均粗糙度Ra的增大而单调递增，使用分形几何参数能够更好地解释沸腾实验现象。对于临界热流密度的研究表明：表面的Taylor不稳定性临界波长不仅受到流体特性的影响，对于粗糙表面而言，其还受到表面几何结构的影响。对于本实验中所用的波形轮廓的表面而言，表面结构波长越短，临界波长随之变短，临界热流密度随之增高。实验还证明了粗糙表面结构可以同时强化沸腾换热系数和临界热流密度，其强化机理不仅仅是因为换热表面积的增加，还源于其改变了沸腾表面的临界波长。

关键词：不规则分形表面规则波形表面沸腾换热特性临界热流密度

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六方氮化硼纳米流体池沸腾换热特性

六方氮化硼纳米流体池沸腾换热特性

作者：赖富兴重庆大学

学位级别：硕士

随着工业的发展,能源消耗量急剧增加,能源短缺问题已日愈凸显。提高能源的利用率和转换效率是缓解当前能源紧缺问题切实有效的举措。沸腾换热由于具有极高的换热效率,在核电、太阳能、低温工程等领域得到广泛的运用。近年来,电子电路集... 详细信息

随着工业的发展,能源消耗量急剧增加,能源短缺问题已日愈凸显。提高能源的利用率和转换效率是缓解当前能源紧缺问题切实有效的举措。沸腾换热由于具有极高的换热效率,在核电、太阳能、低温工程等领域得到广泛的运用。近年来,电子电路集成度不断提高,电子元器件功率大幅增加,电子芯片的冷却问题受到人们的广泛关切。沸腾换热具有占用空间小、换热效率高等优势,为高集成度的电子器件散热难题提供了解决途径。本论文旨在对纳米流体沸腾换热特性,以及微纳米结构对纳米流体沸腾换热性能的影响进行研究和分析,为强化换热方面的研究提供依据。主要工作及结论如下:(1)本论文首先设计并搭建了池沸腾实验系统,并进行了光滑表面、微槽结构表面、纳米结构表面以及微纳米复合结构表面的六方氮化硼(h-BN)纳米流体沸腾换热实验。(2)在光滑表面沸腾换热特性的研究中,本文通过高速摄影仪观察并记录了单汽泡的成核、生长、脱离等汽泡运动过程,并对其进行了动力学分析。发现汽泡在生长过程中汽泡的直径先增大再稳定不变最后减小,而高度则在汽泡脱离前一直保持增加的趋势,在汽泡脱离后会急剧下降。根据直径和高度的变化将汽泡的生长周期分为动力控制阶段、热量传输控制阶段、纵向拉伸阶段和脱离形变阶段。此外,本文还分析了相邻汽泡之间的聚并等行为。(3)制备的h-BN纳米流体和GO纳米流体均呈现优异的分散性,对其导热系数、粘度、表面张力等物性参数进行了测定,发现添加h-BN纳米粒子后使溶液导热系数增大,粘度增加,表面张力略有下降。(4)h-BN纳米流体和GO纳米流体均明显提升了沸腾换热的临界热流密度。与去离子水相比,浓度为0.1 wt%h-BN纳米流体的临界热流密度提升了69%,达到1801.61 kW/m2;浓度为0.001 wt%GO纳米流体的临界热流密度提升了53.8%,达到1636.15 kW/m2。(5)换热表面微液层的蒸发导致局部纳米粒子浓度增加,换热表面形成纳米粒子沉积—脱落—沉积的动态平衡过程,有效抑制了汽膜的形成,促使临界热流密度明显提高。(6)换热表面微槽结构强化了纳米流体沸腾换热性能,实验范围内使沸腾换热系数HTCmax和临界热流密度CHF最大增加516.1%和87.1%,达到3370.77 kW/m2和481.7 kW/(m2·K)。纳米粒子在微槽结构表面的沉积增强了其毛细芯吸作用,使其由超疏水转变成超亲水。换热表面微纳米复合结构却恶化了纳米流体沸腾换热性能,主要原因是纳米粒子沉积堵塞了换热表面纳米尺度孔道,孔道内形成气阻,从而使得沸腾换热性能下降。

关键词：沸腾换热特性纳米流体微槽结构微纳米复合结构六方氮化硼

摇摆运动下窄矩形通道内沸腾换热特性实验研究

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摇摆运动下窄矩形通道内沸腾换热特性实验研究

作者：吕路路哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

本文以去离子水为工质，采用双面加热实验段对倾斜、竖直静止与摇摆运动下窄矩形通道内沸腾换热特性进行了实验研究和理论分析。通过冷态阻力特性实验，验证了测量仪表、测量参数的可靠性和量程设置的合理性。并获得了单相沿程摩擦阻力... 详细信息

本文以去离子水为工质，采用双面加热实验段对倾斜、竖直静止与摇摆运动下窄矩形通道内沸腾换热特性进行了实验研究和理论分析。通过冷态阻力特性实验，验证了测量仪表、测量参数的可靠性和量程设置的合理性。并获得了单相沿程摩擦阻力系数，通过与理论值的比较，验证了实验装置可靠性与数据采集系统的准确性。通过热态换热特性实验，比较了实验值与Gnielinski理论值，确定了实验段的散热量，验证了温度测量系统的可靠性。阻力特性实验和换热特性实验为流动沸腾实验及后续的数据处理打下了基础。倾斜与竖直静止时的系统非常稳定，各热工参数并未发生波动，当加热功率较低，实验通道内的含气率不高的情况下，摇摆运动下的实验现象基本和倾斜和竖直静止时相同，而随着热流密度的增加，当实验通道内的含气率达到一定程度后，摇摆运动会引起各热工参数的周期性波动。在相同的实验工况下,竖直静止时的沸腾换热系数总是高于倾斜时的沸腾换热系数,而对于摇摆条件下沸腾换热系数，其时均值基本不受摇摆运动的影响，基本与竖直静止时的一致，但是瞬时沸腾换热系数的振幅受到摇摆运动的影响，且随着系统的参数的变化而呈现不同的变化规律。利用实验数据对已有沸腾换热模型进行分析评价，发现Liu&Winterton与Lee-Lee模型能够较好的预测实验结果，而两者择大模型Kandilikar和Shah、叠加模型Chen以及增强模型Kenning&Cooper对实验值预测的误差较大，通过对实验数据的分析发现，窄矩形通道内的沸腾换热是受核态沸腾和对流蒸发共同影响，基于考虑两种影响的Liu&Winterton模型，对强化因子进行了修正，修正后的实验关联式能够较好的预测实验结果。摇摆运动对矩形窄通道内时均沸腾换热系数影响较小，而对瞬时沸腾换热系数的波动幅度有着明显的影响。通过分析发现，摇摆过程中两相流体中会反复出现冷凝和闪蒸过程，这会引起通道内含气率的变化，而一定量的含气率是摇摆引起热工参数波动的前提条件，计算发现摇摆引起的惯性力对于沸腾换热基本没有影响，摇摆引起回路空间位置的改变才是造成热工参数波动的最终原因。实验结果也表明，相对于最大摇摆角度，摇摆周期对于瞬时沸腾换热系数波动幅度影响更加明显。

关键词：摇摆运动矩形窄通道沸腾换热特性机理分析

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加热棒表面沸腾换热特性及临界热流密度研究

加热棒表面沸腾换热特性及临界热流密度研究

作者：张国繁北京化工大学

学位级别：硕士

在石油化工、食品、医药等行业里,沸腾换热因其具有很高的传热能力而被广泛应用,其中棒状的电加热元件非常常见。沸腾的机理非常复杂,它是通过大量气泡的形成、成长和运动将工质由液态转换到气态的一种剧烈的蒸发过程。沸腾换热发生在... 详细信息

在石油化工、食品、医药等行业里,沸腾换热因其具有很高的传热能力而被广泛应用,其中棒状的电加热元件非常常见。沸腾的机理非常复杂,它是通过大量气泡的形成、成长和运动将工质由液态转换到气态的一种剧烈的蒸发过程。沸腾换热发生在沸腾壁面上,沸腾壁面的几何特性和换热特性都对换热能力有很大的影响,也受到很多研究者的广泛关注。其中沸腾表面所处的位置对沸腾换热也有很大的影响。池沸腾换热在工业领域有很重要的应用价值,它关系到如何最大限度地挖掘相变换热器的工作潜力,以期达到节约能源的目的。因此研究加热表面沸腾换热特性随几何结构和几何位置的变化规律对提高沸腾换热能力具有重要的科学和经济意义,同时研究加热表面的临界热流密度值对提高沸腾换热效率和设备安全具有重要的现实意义。本文开展了大长径比电加热元件池沸腾的实验研究和数值模拟研究,通过加热棒不同加热功率和不同放置方式的比较,来研究加热表面沸腾换热特性的变化规律,主要包括以下三方面的内容:(1)棒束池沸腾的可视化实验研究和温度测量研究。实验过程中运用高速摄影采集加热表面气泡的成核、生长和脱离过程的视频文件,同时拍摄得到加热壁面附近流体介质的流动形态。通过对采集到的视频文件的处理,得到加热表面气泡的生长速率、生长周期、脱离直径、脱离频率和汽化核心密度。再计算得到加热表面的相变速率和热流密度,比较不同加热功率和加热棒不同轴向高度的沸腾换热特性来得到其变化规律。实验中采集加热棒表面的温度数据,比较加热棒轴向各高度处的温度,分析加热棒表面温度沿轴向高度的变化规律。(2)加热棒竖直放置工况下池沸腾的数值模拟研究。本文基于ANSYS FLUENT平台,构建六面体结构化网格,选用壁面沸腾模型对池沸腾现象进行模拟。首先对实验工况进行数值模拟,对比数值结果和实验结果,验证数值模型的可靠性。在验证数值模型可靠性的前提下,为了节约计算成本,对单根加热棒的池沸腾进行数值模拟。通过数值模拟结果分析加热棒竖直放置时加热表面热流密度、沸腾换热系数随加热功率和加热棒轴向高度的变化规律,同时得到加热表面汽化核心密度、气泡脱离直径和气泡脱离频率随加热功率的变化规律。通过局部气相体积分数云图、气相速度矢量图和气相流线图进一步分析沸腾换热特性随几何位置变化的机理。分析加热棒水平放置时加热表面热流密度和沸腾换热系数随周向角的变化状况。(3)通过分析对比加热棒水平放置和竖直放置两种工况的液相温度云图、气相体积分数云图和气相速度矢量图,分别得到两种放置方式的优缺点。

关键词：加热表面沸腾换热特性热流密度气泡行为数值模拟

流型转化对CO_(2)流动沸腾换热的影响研究

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工程热物理学报 2024年第6期45卷 1643-1649页

作者：黄永方徐肖肖孙云龙刘朝重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室重庆4400044

本文开展了CO_(2)在内径5 mm水平光滑管内的流动沸腾换热及流型可视化实验,结合非绝热流型可视化数据对其流动沸腾换热特性开展研究。结果表明,受重力的影响,换热管顶部在低干度下发生间歇性干涸,导致其换热系数远低于底部换热系数。饱... 详细信息

本文开展了CO_(2)在内径5 mm水平光滑管内的流动沸腾换热及流型可视化实验,结合非绝热流型可视化数据对其流动沸腾换热特性开展研究。结果表明,受重力的影响,换热管顶部在低干度下发生间歇性干涸,导致其换热系数远低于底部换热系数。饱和温度的减小促进了流型的转换,有效减小间歇性干涸引起的管周向局部换热性能的差异,提高了截面的平均换热系数。饱和温度从15℃降至9℃时,截面平均换热系数提高约50%。

关键词：二氧化碳流动沸腾流型可视化沸腾换热特性

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摇摆对沸腾传热特性影响的研究

摇摆对沸腾传热特性影响的研究

作者：孔超哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

本论文主要对矩形通道内两相流动沸腾换热特性进行了实验研究。实验回路安装在一能绕中心轴摆动的台架上，以模拟海洋条件下的摇摆运动。流动工质为去离子水，实验内容包括竖直状态下和不同摇摆工况下的流动沸腾实验。描述了实验中出现... 详细信息

本论文主要对矩形通道内两相流动沸腾换热特性进行了实验研究。实验回路安装在一能绕中心轴摆动的台架上，以模拟海洋条件下的摇摆运动。流动工质为去离子水，实验内容包括竖直状态下和不同摇摆工况下的流动沸腾实验。描述了实验中出现的典型实验现象，发现竖直状态下系统稳定运行，各实验参数未发生波动。在较低的热流密度下，摇摆运动下的实验现象与竖直状态下现象相同，随着热流密度的提高，当出口干度达到一定值后，摇摆运动下各实验参数发生周期性波动，波动周期与摇摆周期一致。摇摆周期对沸腾换热系数没有影响，而摇摆角度越大沸腾换热系数波动幅度越大。对竖直状态下的实验数据进行处理，发现基于本实验段尺寸的矩形通道对流动沸腾换热没有明显的强化作用。质量流量，入口压力，质量含气率对沸腾换热系数均有影响，入口过冷度对饱和沸腾换热几乎没有影响。利用实验数据对已有的部分计算关系式进行了评价，发现Lee-Lee、Liu-Winteron及Kandlikar经验关系式都能较好地预测本实验值，而基于常规通道计算的Chen经验关系式预测值与实验值偏差较大。最后对竖直状态下和摇摆运动下的实验数据进行对比分析，结果表明：摇摆运动对稳定区及不稳定区的平均沸腾换热特性均没有影响，与竖直状态下结果相同。摇摆运动下的质量流速的波动对瞬时换热特性没有影响，而入口压力的波动对瞬时换热系数有明显的影响。摇摆运动引起回路空间位置发生改变，造成出口处蒸汽出现周期性雍塞，导致入口压力出现波动，沸腾换热系数与压力同相波动。

关键词：摇摆运动矩形窄通道沸腾换热特性