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侧壁矩形凹槽微通道流动沸腾换热特性及不稳定性研究

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侧壁矩形凹槽微通道流动沸腾换热特性及不稳定性研究

作者：唐兆同哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着芯片等电子器件的高度集成化和微小型化,其散热表面的热流密度急剧攀升,工作温度不断升高。常规的冷却技术散热能力低,空间限制大,难以达到期望的散热效果,因此高热流密度芯片的散热问题成为了制约其发展的重要障碍。微通道流动沸... 详细信息

随着芯片等电子器件的高度集成化和微小型化,其散热表面的热流密度急剧攀升,工作温度不断升高。常规的冷却技术散热能力低,空间限制大,难以达到期望的散热效果,因此高热流密度芯片的散热问题成为了制约其发展的重要障碍。微通道流动沸腾散热具有传热系数高、工质流速低、结构紧凑等优点,被认为是解决高热流密度芯片散热问题极具前途的方法。然而,现有研究表明传统的光滑微通道存在着流动沸腾不稳定性、传热恶化、临界热流密度值低等问题,限制了微通道流动沸腾散热性能的提升。为了解决这一问题,在传统的光滑微通道的侧壁面开设矩形凹槽结构,采用数值模拟和实验的方法对侧壁矩形凹槽微通道流动沸腾的换热特性及不稳定性开展了相关研究。针对矩形凹槽微通道实现强化传热、抑制流动沸腾不稳定性的问题,建立了微通道流动沸腾的三维数值计算模型,完成了计算模型的网格无关性验证与模型可靠性验证。采用数值模拟的方法对比研究了凹槽微通道与光滑微通道在传热及流动特性上的差异。通过对计算数据的处理,得到了两种微通道在流动沸腾过程中的气泡行为以及流型演变特性,结合两种微通道在不同入口流速、不同热流密度下加热面温度、进出口压降、气相体积分数以及传热系数等参数的变化规律,对凹槽结构在不同沸腾程度、不同流型下发挥强化传热、抑制流动沸腾不稳定性的作用进行了分析和解释。针对凹槽结构参数对微通道流动沸腾换热特性及不稳定性的影响规律问题,采用数值模拟的方法分别建立了具有不同凹槽结构参数的数值计算模型。运用控制变量法,主要研究了凹槽宽度、凹槽长度以及凹槽数量三种结构参数对微通道流动沸腾过程的影响。得到了三种结构参数变化对凹槽微通道强化传热、抑制流动沸腾不稳定性的影响规律并分析了产生差异的原因。针对多管并联矩形凹槽微通道与光滑微通道具有不同换热性能的问题,建立了微通道流动沸腾散热的可视化实验系统。对实验系统进行了详细说明并完成了数据处理及不确定度分析。通过实验得到了光滑微通道以及矩形凹槽微通道的加热面温度曲线、传热系数曲线以及压降特性曲线。结合可视化实验系统拍摄到的气泡行为及流型特征,分析并解释了两种多管并联微通道散热器在微通道流动沸腾换热特性及不稳定性方面的区别。

关键词：微通道凹槽结构强化传热流动沸腾不稳定性流型

气固两相工况下管道凹槽内颗粒动态分布特性研究

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气固两相工况下管道凹槽内颗粒动态分布特性研究

作者：刘振兴浙江理工大学

学位级别：硕士

凹槽结构是管道输送系统中普遍存在的一种结构。当输送的介质是含有颗粒的气固混合物时,固体颗粒极容易在管道内堆积,进而导致碰撞、磨损等问题的产生。为了减少堆积,工业界往往采用吹扫的方式,通过在管道内部吹气,促使凹槽内部颗粒的... 详细信息

凹槽结构是管道输送系统中普遍存在的一种结构。当输送的介质是含有颗粒的气固混合物时,固体颗粒极容易在管道内堆积,进而导致碰撞、磨损等问题的产生。为了减少堆积,工业界往往采用吹扫的方式,通过在管道内部吹气,促使凹槽内部颗粒的流态化,进而达到消除颗粒的目的。然而,两相工况下凹槽内颗粒如何堆积,以及水平通气情况下凹槽内部颗粒流态化特性如何尚未得到很好地解决。本文主要通过搭建气固两相流动测试实验平台,通过可视化观测结合数值模拟,分析气固两相输送中颗粒在凹槽处的堆积规律,讨论凹槽堆满颗粒在水平气流状态下的流态化特性。主要研究内容如下:(1)设计并加工了管道凹槽结构,使用高速相机观测凹槽处颗粒堆积过程,并使用CFD-DEM耦合的方法对管道内凹槽处颗粒堆积过程进行模拟。使用MATLAB程序,对凹槽内堆积颗粒进行定量分析。综合研究了气流速度、颗粒粒径、颗粒质量流量、挡板宽度及凹槽结构对颗粒堆积的影响。得到凹槽内颗粒到达稳定阶段时,凹槽内堆积颗粒内部具有稳定性。在低气流速度、大颗粒粒径的实验条件下,颗粒更容易在凹槽处产生堆积。在此基础上,开展了正交试验,讨论了气流速度、颗粒粒径、颗粒质量流量对带挡板凹槽内颗粒堆积的影响程度。指出影响因子的主次顺序为颗粒粒径、颗粒质量流量、气流速度。(2)在不同气流同速度、颗粒粒径及挡板结构下,对凹槽内堆积颗粒的流态化运动进行实验研究。实验中通过上下及左右分层放置不同颜色的颗粒,获得了气流作用下凹槽内放置颗粒从静止到离开凹槽的整个过程。通过分析颗粒流动过程发现凹槽内堆积颗粒在流态化的过程中存在涌动现象,挡板的长度和入口速度,与涌动现象的发生呈正相关。研究同时指出挡板的存在会降低颗粒流出凹槽的时间。并对颗粒在带挡板凹槽中的停留时间及数目进行定量分析,得到堆积颗粒流态化过程中的颗粒流动时间、颗粒数目和速度的变化规律。

关键词：气固两相流动凹槽结构 CFD-DEM MATLAB 流态化

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离心压缩机迷宫密封封严性与稳定性研究

离心压缩机迷宫密封封严性与稳定性研究

作者：钟涵西南石油大学

学位级别：硕士

离心压缩机在石油化工行业中被广泛运用,在此类装置中,为了平衡工作的压力安装有平衡盘等装置。为了提升工作效率、在口环、级间、平衡盘等处安装了非接触式的密封。迷宫密封的结构简易,工作稳定,并且与转子非接触性,被广泛的运用在透... 详细信息

离心压缩机在石油化工行业中被广泛运用,在此类装置中,为了平衡工作的压力安装有平衡盘等装置。为了提升工作效率、在口环、级间、平衡盘等处安装了非接触式的密封。迷宫密封的结构简易,工作稳定,并且与转子非接触性,被广泛的运用在透平机械中。密封的封严性对压缩机效率有重要影响,气体通过流道带来的密封激振力威胁着系统稳定性和安全性。研究迷宫密封的节流机理,优化密封的结构设计,对提升机组效率与安全性有重要帮助,是值得研究的重要课题。本文首先研究了迷宫密封的节流机理,了解了膨胀空腔耗散效应和密封齿间隙的节流效应;同时分析了密封气体激振力的产生原因,研究了计算密封气体力的理论公式。以离心压缩机迷宫密封为研究对象,建立迷宫密封三维计算模型,采用标准κ-ω湍流模型和SIMPLEC压力-速度耦合算法分析了迷宫密封节流机理以及流场特性,并对比了经验公式与整体流程序的计算结果,验证了本文模型和边界条件设置的正确性。迷宫密封通过密封间隙和腔体中间产生了膨胀效应,形成的涡旋完成了动能与热能的转换,达到密封封严作用。在流场分析基础上,对比了直通式,矩形凹槽和圆形凹槽迷宫密封在不同工况下封严性。研究表明,增大进出口压比,增大密封间隙会降低密封封严性;增大转速和预旋率,泄漏量会轻微增加。凹槽结构密封因为破坏了壁面连续性,并且形成了小涡旋,增大了动能耗散,封严性提高,圆形凹槽略优于矩形凹槽,为迷宫密封的优化设计和工况的影响提供依据。密封激振力对系统安全性和稳定性会产生很大影响,在流场分析基础上,以直通式迷宫密封为基础,研究了不同工况下迷宫密封动特性及稳定性。利用旋转坐标系模拟转子的涡动,利用小扰动假设求解阻尼与刚度,引入涡动频率比来表征稳定性特点。结果表明：增大进出口压比与预旋率,系统稳定将大大降低;负预旋率能够增加系统稳定性;扩大密封间隙能够提高系统稳定性。为系统稳定性评价与工况的影响提供了依据。本文针对动特性及稳定性的主要作用因素预旋率,分析了含入口防旋装置对迷宫密封封严与动特性的影响。研究表明：防旋装置减小了流通面积和周向速度,泄漏量有所降低;防旋装置降低了周向速度,从而降低了交叉刚度,增加了直接阻尼,使得稳定性得到提高,为设计稳定性更强的结构以及工业中使用的防旋装置提供了依据。运用转子动力学软件Samcef建立简化的密封轴承转子的模型,研究了含有密封和防旋装置结构对系统临界转速的影响。后处理计算系统稳定性指标对数衰减率。研究表明：含有迷宫密封和防旋装置会增加系统临界转速。工程中应当设计工作转速不在此范围内的结构;含有迷宫密封的系统在转速为10500r/min下对数衰减率低于0.1,发生了失稳,安装防旋装置提高了对数衰减率,系统达到稳定。

关键词：数值模拟迷宫密封凹槽结构动特性系数防旋装置稳定性

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乙烯燃料超燃燃烧室燃烧流动过程的数值模拟

西南科技大学学报 2022年第4期37卷 49-55页

作者：梁仍康张云李朗慎志豪陈敬楠西南科技大学土木工程与建筑学院四川绵阳621010

采用壁面燃料喷射并结合凹槽结构作为火焰稳定机制是超燃冲压发动机燃烧室设计的理想方案。利用非定常方法研究了带凹槽的超燃冲压发动机壁面横向喷射乙烯燃料的火焰稳定过程,分析了不同当量比下的火焰稳定机制。结果表明:在燃烧室入口... 详细信息

采用壁面燃料喷射并结合凹槽结构作为火焰稳定机制是超燃冲压发动机燃烧室设计的理想方案。利用非定常方法研究了带凹槽的超燃冲压发动机壁面横向喷射乙烯燃料的火焰稳定过程,分析了不同当量比下的火焰稳定机制。结果表明:在燃烧室入口马赫数2、总温950 K、总压0.82 MPa条件下,冷流流场达到稳定所需时间约为9 ms;当凹槽台阶下游喷注当量比为0.1时,火焰稳定模式为燃料尾迹与凹槽共同形成的回流区稳定模式;当凹槽台阶下游喷注当量比为0.3时,火焰稳定模式为完全处于凹槽回流区稳定模式;当凹槽上游壁面喷注当量比为0.1时,火焰稳定模式为凹槽回流区稳焰模式;当凹槽上游壁面喷注当量比为0.3时,火焰稳定模式为射流回流区和凹槽回流区稳焰模式。

关键词：超燃发动机凹槽结构火焰稳定模式数值模拟

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基于康托尔分形微通道流动与传热的模拟

低温物理学报 2022年第1期 56-64页

作者：李伟浩陈缤徐阳关欣上海理工大学能源与动力工程学院

高密度、小体积和高集成的电子元器件散热困难，易造成过早失效，采用微通道换热器可以实现小体积内高热流的散热，但流动阻力很大.为了保证传热效果，降低流动阻力，本文提出了一种新型的微通道结构并对其流动与传热特性进行了数值模拟... 详细信息

高密度、小体积和高集成的电子元器件散热困难，易造成过早失效，采用微通道换热器可以实现小体积内高热流的散热，但流动阻力很大.为了保证传热效果，降低流动阻力，本文提出了一种新型的微通道结构并对其流动与传热特性进行了数值模拟.首先研究了微通道形状和结构，模拟结果表明：进出口截面宽高比为0.8的矩形微通道的换热效果最好；并在此基础上提出一种康托尔分型凹槽结构，研究了有无康托尔分形以及不同分形级数对流动与传热性能的影响，综合对比发现：第二级康托尔分形模型N2既能保证热阻显著降低，又能相比阵列结构降低压降，具有明显的换热优势；最后对这种康托尔分形结构的凹槽形状，尺寸及不同方向上的分形进行研究，结果表明梯形凹槽的下上表面长度比b/a为0.6、流动方向分形比f为1.25和通道高度方向分形比f为1.5时换热流动性能最佳.

关键词：电子元器件散热微通道热沉凹槽结构康托尔分形数值模拟

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重庆地区点式住宅室内采光难点问题研究

重庆建筑 2015年第6期14卷 19-21页

作者：徐航秦砚瑶戴辉自刘军郭帆中煤科工集团重庆设计研究院有限公司重庆400016

重庆地区新建高层住宅多为点式建筑,外立面存在一些凹槽结构,凹槽深度影响其内空间自然采光。通过理论分析,并借助Ecotect软件模拟,对重庆地区点式住宅建筑凹槽内房间采光进行了计算分析。该文依照采光标准研究影响凹槽内空间采光的主... 详细信息

重庆地区新建高层住宅多为点式建筑,外立面存在一些凹槽结构,凹槽深度影响其内空间自然采光。通过理论分析,并借助Ecotect软件模拟,对重庆地区点式住宅建筑凹槽内房间采光进行了计算分析。该文依照采光标准研究影响凹槽内空间采光的主要因素,对凹槽内未满足标准要求的房间进行优化,得出结论并提出一些优化方法,可供设计者在对建筑凹槽内房间的采光设计中参考。

关键词：重庆建筑点式住宅建筑采光凹槽结构

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发动机高强度液力螺栓设计制造装配问题分析

安庆师范大学学报（自然科学版） 2019年第3期25卷 60-63,67页

作者：梅加化何平黄禄丰王辉中船动力研究院有限公司研究开发部上海200120 安徽建筑大学机械与电气工程学院安徽合肥230601 安庆中船柴油机有限公司技术中心安徽安庆246003

ACD320发动机的重要螺栓采用大预紧力的高强度液力螺栓,材料利用率高。针对这种螺栓的结构设计优化、制造装配问题,进行了螺纹尾部有无凹槽结构的对比分析,采用三维轴对称模型和螺旋模型对螺纹的变形量进行有限元计算,并结合预紧力误差... 详细信息

ACD320发动机的重要螺栓采用大预紧力的高强度液力螺栓,材料利用率高。针对这种螺栓的结构设计优化、制造装配问题,进行了螺纹尾部有无凹槽结构的对比分析,采用三维轴对称模型和螺旋模型对螺纹的变形量进行有限元计算,并结合预紧力误差实验、螺距及螺纹直径公差对装配的影响实验,优化了螺栓设计,最终完成装机后的性能与耐久试验。结果表明,凹槽结构能够有效降低螺纹尾部的最大应力和应力幅值;三维螺旋模型更能准确地反映出螺纹的变形量,并且需要采用更大的螺纹间隙配合才能避免安装时螺母卡滞现象;较大预紧力会使被连接件接触表面产生压塌,导致预紧力下降约4.4%。研究结果为今后的设计与优化提供实践基础和理论依据。

关键词：高强度液力螺栓凹槽结构有限元计算螺纹间隙配合

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多凹槽井下工具冲蚀规律研究及优化设计

中外能源 2018年第8期23卷 56-59页

作者：胡顺渠中国石化西南油气分公司石油工程技术研究院

井下工具的冲蚀问题一直是石油行业关注的焦点。针对现有技术无法解决多凹槽结构井下工具抗冲蚀问题,通过数值模拟分析,开展了多凹槽井下工具冲蚀规律研究,认识到排量相同情况下,凹槽位置、凹槽宽度、台阶倾角等是冲蚀程度的重要影响因... 详细信息

井下工具的冲蚀问题一直是石油行业关注的焦点。针对现有技术无法解决多凹槽结构井下工具抗冲蚀问题,通过数值模拟分析,开展了多凹槽井下工具冲蚀规律研究,认识到排量相同情况下,凹槽位置、凹槽宽度、台阶倾角等是冲蚀程度的重要影响因素,第一个凹槽处冲蚀风险最大,凹槽宽度、尾部台阶角度、凹槽间距等增加也会提高其冲蚀风险。据此,提出控制凹槽宽度、凹槽尾部台阶角度及间距值来降低凹槽冲蚀风险的设计原则,创新性提出了内嵌耐冲蚀环＋占位环的新型结构,突破常用抗冲蚀方法在凹槽型工具上使用的局限,实现井下工具特殊凹槽结构的保护。镶嵌耐冲蚀环＋占位环凹槽型结构的井下全通径无级滑套工具成功应用于川西气田82口井分段压裂,压裂工具开启成功率达100%,最高分段数达30级;抗冲蚀性能优异,可以经受住1500m^3陶粒的冲蚀考验。

关键词：井下工具凹槽结构冲蚀规律耐冲蚀环井下全通径无级滑套应用

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高压板翅式散热器封条结构优化分析

现代机械 2014年第4期 62-65页

作者：张轩曹天琴王家喜贵州永红航空机械有限责任公司贵州贵阳550009

高压板翅式散热器由于其承受的高压特性导致产品稳定性较差,承压强度难以满足要求。为了提高钎焊封条与钎接用铝合金板的钎焊强度,本文利用MSC模拟分析软件对不同类型封条结构进行强度模拟分析,比较不同结构的优越性,并通过试验验证得... 详细信息

高压板翅式散热器由于其承受的高压特性导致产品稳定性较差,承压强度难以满足要求。为了提高钎焊封条与钎接用铝合金板的钎焊强度,本文利用MSC模拟分析软件对不同类型封条结构进行强度模拟分析,比较不同结构的优越性,并通过试验验证得到最理想的结构类型,为封条的结构优化提供设计参考。

关键词： MSC有限元分析凹槽结构钎焊封条钎接用铝合金板