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基于棋盘型高拓扑热沉结构不同喷嘴射流分布结构的数值研究

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中国科学：技术科学 2021年第6期51卷 699-710页

作者：石千磊刘倩李凯璇巨星徐超华北电力大学能源动力与机械工程学院北京102206

电子或电力电子芯片的高密度热流换热问题是制约芯片技术的核心问题之一.本文针对棋盘型喷嘴射流/歧管/微针翅复合结构拓扑形态设计和几何构造参数影响关系进行数值模拟研究.建立喷嘴阵列在正方形、正六边形和菱形三种拓扑结构下换热单... 详细信息

电子或电力电子芯片的高密度热流换热问题是制约芯片技术的核心问题之一.本文针对棋盘型喷嘴射流/歧管/微针翅复合结构拓扑形态设计和几何构造参数影响关系进行数值模拟研究.建立喷嘴阵列在正方形、正六边形和菱形三种拓扑结构下换热单元的计算模型,分析各拓扑结构不同参数尺度的流动换热性能.计算结果表明,当射流孔和微针翅的直径分别为50和100μm时,正六边形喷嘴阵列拓扑下复合换热结构压降较小,但换热效果也受到局限;菱形喷嘴阵列拓扑虽然具有最高的局部对流换热系数(>150000 W/(Km^(2))),但微针翅表面的换热系数较低,温度分布的不均匀程度较大;正方形喷嘴阵列拓扑下热沉的性能具有显著优势,压降仅3150 Pa时,总热阻低至0.099×10^(-4)Km^(2)/W.该复合热沉结构具有高拓扑性,易于与不同形状大小的芯片相结合,在进一步降低结构尺度和接触热阻后,将在高热流密度芯片冷却领域展示出更好的应用潜力.

关键词：高热流密度复合热沉微针翅歧管喷嘴射流

棋盘形喷嘴射流/歧管/微针翅复合换热结构的数值模拟研究

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棋盘形喷嘴射流/歧管/微针翅复合换热结构的数值模拟研究

作者：周逸挺华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

随着科技水平的不断发展,高热流密度换热难题在诸多领域内日益突出,逐渐成为制约技术、经济发展的重要因素,而微结构热沉换热机构作为一种极具潜力的高效的换热技术,是解决高热流密度换热问题的一大研究方向。本文针对微针翅换热结构压... 详细信息

随着科技水平的不断发展,高热流密度换热难题在诸多领域内日益突出,逐渐成为制约技术、经济发展的重要因素,而微结构热沉换热机构作为一种极具潜力的高效的换热技术,是解决高热流密度换热问题的一大研究方向。本文针对微针翅换热结构压损较大的特点及其歧管系统在流量分配方面的特性,由象棋获得灵感,创新性的提出了将两者相结合的新型棋盘形喷嘴射流/歧管/微针翅复合换热结构,微针翅换热结构和喷嘴射流可以强化换热效果,歧管系统可有效促进换热流体的均匀分配,故此复合换热结构既可保留原有的高换热效率,还能有效降低压力损失,且不会增加换热结构和电子元件间的换热面积。针对复合换热结构的周期性和对称性,本文选取了三维单元模型,并根据特征尺寸、截面面积关系设计了方形和圆形截面共两类、三类复合换热结构的单元模型。选取去离子水作为冷却工质,运用数值模拟的方法研究微针翅特征尺度、喷嘴特征尺度以及微针翅高度这三个独立几何参数、以及将单一微针翅结构转化成多微针翅结构对三维单元模型的流动及换热性能(主要是压力损失和总热阻)的影响。本文中数值模拟选用的工具的是ANSYS商用计算流体力学(CFD)软件——Fluent。最后,在进行参数优化的基础上对棋盘形喷嘴射流/歧管/微针翅复合热沉进行参数优化,可以得到:当体积流量为1 L/min,加热面热流密度为700 W/cm2时,基准单元模型中入口喷嘴出流体工质和加热面的温差为65.5 K,温度非均匀性为2.33 K,复合热沉的压降和热阻分别为4928 Pa和9.37×10-6 Km2/W。此外,本文还对将复合换热结构应用于太阳能吸热器进行了研究,通过数值模拟分析吸热器单元的几何参数对换热及流动性能、效率以及总换热系数的影响。对于棋盘形喷嘴射流/歧管/微针翅太阳能吸热器,当压缩空气的体积流量在1 0.8 L/min至32.4 L/min范围内,太阳能流密度从200000 W/m2增加至600000 W/m2时,压降从233.9 Pa增大至6289.0 Pa,吸热器的最大效率可达到92.12%,总换热系数最高可达到1180W/(m2.K)。

关键词：微针翅歧管喷嘴射流冷却热沉太阳能吸热器

伺服阀喷嘴射流质量评价指标的研究及检测系统的设计

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伺服阀喷嘴射流质量评价指标的研究及检测系统的设计

作者：田涵吉哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

双喷嘴挡板阀是广泛应用于航空航天控制系统中的重要控制元件,其中先导级的重要组成元件喷嘴的工艺检测过程至关重要。现存的喷嘴压力和流量检测技术已经很成熟,但缺少对各种射流形态的定义,缺乏针对喷嘴射流检测相关指标的参考,也缺少... 详细信息

双喷嘴挡板阀是广泛应用于航空航天控制系统中的重要控制元件,其中先导级的重要组成元件喷嘴的工艺检测过程至关重要。现存的喷嘴压力和流量检测技术已经很成熟,但缺少对各种射流形态的定义,缺乏针对喷嘴射流检测相关指标的参考,也缺少对喷嘴射流检测的实验设备。同时喷嘴射流形态对伺服阀性能的影响尚未有人研究,急需对各类射流形态进行定义,明确各类射流形态对先导级流场的影响并针对其设计射流检测设备来代替传统的手工检测,进而提高检测效率。首先本文从喷嘴射流油液的喷射形态开始,通过分析喷嘴射流原理,基于FLUENT软件建立了喷嘴射流内外流场的模型;通过改变喷嘴的几何结构,将各种类型的射流形态进行分类与定义;结合数值模拟的结果,得出各类射流形态的相关特点并综合分析得出喷嘴射流最佳喷射距离。其次,对双喷嘴挡板阀先导级的流场进行探讨,分析了先导级产生空化现象的原因,得出了空化现象出现的位置;将各类射流模型加入到先导级流场模型中,依次分析了喷嘴斜射,散射以及螺旋状射流的先导级流场,通过与标准先导级流场进行对比,得出斜射角,散射角等指标。再次,研究现有的喷嘴射流检测工艺流程,提出喷嘴射流检测设备的总体设计要求。通过对各类功能进行模块化处理,完成了整体的结构设计、光学元器件的计算选型等。最后,编写射流图像检测的相关流程,通过实际尺寸测量流程得出图像中射流油液的具体长度,通过分类流程对各种射流形态进行识别与分类;设计简易的试验,得出喷嘴射流的长度和角度信息,验证了上述方法的可行性。

关键词：喷嘴射流射流流场射流检测伺服阀先导级

基于棋盘形喷嘴射流/歧管/微针翅复合热沉拓扑优化研究

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基于棋盘形喷嘴射流/歧管/微针翅复合热沉拓扑优化研究

作者：石千磊华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

随着电子产品领域的设备产生的热流密度越来越大,传统的散热结构已经不能够满足高热流密度的散热需求,同时传统结构散热不均匀的问题也无法满足高度集成化和信息化的高精度散热要求。微结构换热的优势是体积小,换热效率高,同时也存在温... 详细信息

随着电子产品领域的设备产生的热流密度越来越大,传统的散热结构已经不能够满足高热流密度的散热需求,同时传统结构散热不均匀的问题也无法满足高度集成化和信息化的高精度散热要求。微结构换热的优势是体积小,换热效率高,同时也存在温度分布不均匀的问题,多是由于流动分布不均造成的。本文基于喷嘴射流/歧管/微针翅复合热沉,利用其压降小、热阻低、换热效率高等优点,对射流孔和微针翅的拓扑进行优化,对流动进行二维方向的重新组织,提出正方形拓扑、正六边形拓扑、60°角菱形拓扑和30°角菱形拓扑4种基于简单几何的拓扑分布。根据其对称性,建立热沉换热基本单元计算模型,分析不同拓扑结构对流动和换热性能的影响。首先,计算讨论各个单元模型的流动换热特性,主要通过单元模型的流动换热云图、局部对流换热系数以及平均努塞尔数等参数,研究微通道底面射流换热和微针翅侧面对流换热之间的相互作用。30°角菱形拓扑Case D拥有最高的局部对流换热系数,其值超过了 450000 W/(K·m2)。接着,研究了三个独立基本参数喷嘴尺寸DN,微针翅尺寸WPF和微针翅高度HPF对热沉单元的影响。正方形喷嘴拓扑下复合热沉具有显著优势,压降仅3073 Pa,总热阻可以低至9.83×10-4 Km2/W。最后,证明了把微针翅当作多孔介质进行优化是可行的。正六边形拓扑孔隙率最小,COP/ΔT值最高,拥有最大的换热潜力,但是其不适合大高径比的微针翅,热沉整体的平均努塞尔数几乎为0。射流孔径越大越利于降低压损,最优的射流孔径取值范围为50-100 μm。30°角菱形拓扑对孔隙率的变化最敏感,孔隙率从0.83变化到0.92,压降降低了十倍之多。此外,研究了偏心射流对热沉单元换热性能的影响。微针翅在射流偏心中起着重要的作用,大尺寸的微针翅显示出对偏心射流更好的稳定性。

关键词：复合热沉喷嘴射流微针翅歧管高热流密度

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喷嘴射流和漫流特性对钻速的影响

石油钻采工艺 1988年第2期 49-54页

作者：廖荣庆张绍槐熊继有西南石油学院钻井教研室西南石油学院钻井实验室主任、副教授院长、教授副主任、工程师

通过现场调查和室内试验,作者认为在目前条件下,双喷嘴的最佳直径比值范围是0.6～0.7;给出了射流轴心速度衰减方程;最大井底漫流速度在距井底0～2.5毫米之间变化;对大多数岩石来说,只有形成破碎坑后,射流才有辅助破岩的作用。

关键词：喷嘴射流钻头进尺喷嘴组合井底漫流钻速

炉内流场中复杂结构喷嘴射流的近流线数值模拟

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中国电机工程学报 2001年第8期21卷 108-113页

作者：张泽吴少华秦裕琨徐旭常清华大学煤的清洁燃烧技术国家重点实验室北京100084 哈尔滨工业大学能源科学与工程学院黑龙江哈尔滨150001

采用独立开发的近流线数值模拟方法 ,对大型四角切圆炉膛中具有复杂结构喷嘴射流的炉内流场进行了数值模拟 ,同时与三维热线风速仪的测量结果相对照 ,证明了该数值模拟方法较好地解决了在计算区域由于合速度方向与网格线方向之间有较大... 详细信息

采用独立开发的近流线数值模拟方法 ,对大型四角切圆炉膛中具有复杂结构喷嘴射流的炉内流场进行了数值模拟 ,同时与三维热线风速仪的测量结果相对照 ,证明了该数值模拟方法较好地解决了在计算区域由于合速度方向与网格线方向之间有较大夹角而产生的伪扩散问题 ,并详细地模拟了复杂的燃烧器喷嘴结构和炉膛的大切角结构 ,准确地反映了复杂的燃烧器喷嘴射流和实际炉内燃烧区域的流场特征 ,较好的实现了近流线的数值计算。

关键词：锅炉燃烧器炉内流场喷嘴射流近流线数值模拟

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医用射流锥直型喷嘴流动特性仿真研究

液压与气动 2020年第4期44卷 140-144页

作者：何茵楠宋赫男中国矿业大学管理学院江苏徐州221116 哈尔滨工业大学机电工程学院黑龙江哈尔滨150000

目前,国内关于医用水刀技术方面的研究逐渐增多,但针对医用水刀喷嘴进行研究的占少数。在此背景下,探究了医用水刀喷嘴不同结构对水射流能量损耗方面的影响,并使用Fluent仿真软件对不同锥角、不同压力下的锥直型水刀喷嘴喷射出的生理盐... 详细信息

目前,国内关于医用水刀技术方面的研究逐渐增多,但针对医用水刀喷嘴进行研究的占少数。在此背景下,探究了医用水刀喷嘴不同结构对水射流能量损耗方面的影响,并使用Fluent仿真软件对不同锥角、不同压力下的锥直型水刀喷嘴喷射出的生理盐水进行流场分析。结果表明:锥直型结构喷嘴更适合应用于医用水刀,当锥直型喷嘴的锥角为30°时,喷嘴射流动压最为稳定,能量损失少;高速流区域随水刀入口压力的增大而增大,因此在手术允许范围内选取较高的入口压力可以提高水刀性能,更好地完成手术任务。

关键词：医用水刀喷嘴射流 Fluent流场分析

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基于Fluent的高压喷嘴射流的数值模拟

机械制造与自动化 2010年第1期39卷 61-62,130页

作者：周章根马德毅西南科技大学制造科学与工程学院四川绵阳621010

研究收缩型喷嘴在初始压力为100 MPa,出口直径为1 mm的情况下喷嘴流场的速度、压力、湍动能等物理量的分布规律。选择不可压Reynolds方程作为动量方程,利用Fluent的SIMPLEC算法进行求解,对收缩型喷嘴射流进行数值模拟。结果表明:流体速... 详细信息

研究收缩型喷嘴在初始压力为100 MPa,出口直径为1 mm的情况下喷嘴流场的速度、压力、湍动能等物理量的分布规律。选择不可压Reynolds方程作为动量方程,利用Fluent的SIMPLEC算法进行求解,对收缩型喷嘴射流进行数值模拟。结果表明:流体速度在喷嘴收缩段迅速增加,在离开喷嘴后出现等速流核区;流体动压在喷嘴收缩段增长快速,在等速流核区保持不变;仿真结果与理论推导相符合。

关键词： Fluent 喷嘴射流 Reynolds方程数值模拟

采用顺风式与逆风式气溶胶发生喷嘴的管路内浓度均匀性仿真对比分析

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中国计量 2022年第12期 74-76页

作者：张雯石曙光李腾张健王炳祺中国测试技术研究院湖北省计量测试技术研究院烟台市标准计量检验检测中心青岛众瑞智能仪器股份有限公司

在气溶胶研究的相关领域,很多场景都需要搭配气溶胶发生器,以营造一个稳定性以及均匀性较高的粒子场,用于气溶胶的采样分析。在设计气溶胶采样器校准装置(见图1)以及过滤器检漏装置(见图2)这种气溶胶管路装置时,气溶胶发生喷嘴对下游的... 详细信息

在气溶胶研究的相关领域,很多场景都需要搭配气溶胶发生器,以营造一个稳定性以及均匀性较高的粒子场,用于气溶胶的采样分析。在设计气溶胶采样器校准装置(见图1)以及过滤器检漏装置(见图2)这种气溶胶管路装置时,气溶胶发生喷嘴对下游的混匀效果有重要影响,其又主要分为单点式、多点式以及搅拌风扇式三种发生方式。由于结构简单及安装便利,当前研究多采用单点式发生喷嘴,且喷嘴射流方向与管路来流方向相同,即顺风式发生。这种发生方式的缺点在于需要很长一段混匀管路才能达到目标混匀效果,使实验装置变得庞大。

关键词：气溶胶采样分析多点式检漏装置校准装置喷嘴射流粒子场过滤器