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微通道内流体的流动与换热的理论研究和数值分析

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微通道内流体的流动与换热的理论研究和数值分析

作者：董晋标西安电子科技大学

学位级别：硕士

近年来,随着电子设备组装密度越来越高,散热问题越来越突出,微通道换热作为一门新兴的热控制技术在诸多领域开始应用,这使得微通道内流动与传热过程的研究成为当前的传热学研究热点。本文针对理想的、定物性及不可压缩流体,在稳态层流... 详细信息

近年来,随着电子设备组装密度越来越高,散热问题越来越突出,微通道换热作为一门新兴的热控制技术在诸多领域开始应用,这使得微通道内流动与传热过程的研究成为当前的传热学研究热点。本文针对理想的、定物性及不可压缩流体,在稳态层流流动状态下,研究了速度滑移对微通道内的速度场的分布和流动阻力影响;在考虑温度跳变和流体轴向导热的情况下,研究了微通道的对流和传导换热问题。对微通道在不同的热边界条件下的对流和传导微分方程进行了理论推导,并利用分离变量法求解其微分方程,得到温度场含有参数解的形式。然后利用流固边界耦合传热的边界条件和已知热边界条件建立方程组确定参数,并最终计算出温度跳变长度、局部努塞尔数和平均努塞尔数。最后通过仿真分析表明随着速度滑移的程度的增加,边界滑移速度增加,流动阻力下降;在微小尺度下,在流体和固体边界面温度有明显的跳变,导致局部努塞尔数和平均努塞尔数小于经典的解析解和关联式的解。

关键词：微通道速度滑移温度跳变流动阻力努塞尔数

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矩形微通道内的流动与压降特性研究

矩形微通道内的流动与压降特性研究

作者：梁朋北京交通大学

学位级别：硕士

随着技术的进步,微型设备和系统成为研究热点。人们不断发现微小系统由于尺寸减小而带来的众多优势,但微装置尺寸的缩小也增加了热流密度,因此具备高效散热性能的微通道逐渐成为发展方向和趋势。微通道换热器具有强化换热,结构紧凑、高... 详细信息

随着技术的进步,微型设备和系统成为研究热点。人们不断发现微小系统由于尺寸减小而带来的众多优势,但微装置尺寸的缩小也增加了热流密度,因此具备高效散热性能的微通道逐渐成为发展方向和趋势。微通道换热器具有强化换热,结构紧凑、高效的优点,应用于各个学科,具有重要的研究意义。然而,目前微系统内小型化结构改变物理过程的机理还不成熟。当微装置的尺度小到一定程度,会出现与常规尺度不同现象。有些基础问题还不明确,包括微通道内流动与压降特性,尤其是入口区域。入口段的换热系数较高,充分利用入口段,可以提升整体换热效率,节约能源。本文在层流连续流动和滑移流动下对三维矩形微通道内流动与压降的研究采用了理论分析与数值模拟的方法。研究了层流发展流及充分发展阶段的摩擦分布特性,重点分析了微通道截面尺寸、轴向无量纲距离和滑移参数对流动和压降的影响。在本文使用的半理论分析模型的基础上,对三维矩形微通道入口发展流动阶段的摩擦因子进行了定量研究。首先,在连续流动条件下模拟的表观摩擦因子与雷诺数乘积(fappRe)的结果与经典文献数据和实验数据吻合较好,说明数值方法可行有效,并进一步扩充了经典文献中可用数据点的使用情况和范围,此扩充数据与半理论分析模型的数值保持一致,在扩展数据基础上,发展了关于Hagenbach系数的新的关联式。其次,在滑移流动条件下将fappRe的数值数据与半理论分析模型进行了对比,误差较小,实现了对滑移发展流动阶段摩擦分布特性的初步探索。本文对连续流动和滑移流动的数值模拟获得了预期的结果。三维矩形微通道内的fappRe在入口区域数值较大,变化显著,随着轴向无量纲距离的增加而迅速减小,之后变化趋缓,最终为稳定值达到充分发展流动阶段。此外表观摩擦因子随着矩形截面宽高比的增加而减小。对于滑移流动,Kn数越大,滑移程度越大,滑移速度变大。速度滑移的存在,使得fappRe的值减小。本文扩展了经典文献书籍中fappRe的数据点,对连续流动和滑移流动条件下三维矩形微通道入口发展流的fappRe进行了定量研究。这些扩充数据和半理论模型可以预测连续流动和滑移流动的摩擦与压降分布特性,也为今后深入的学术研究提供依据,同时方便于工程实践与应用,也只有深入认识微流体流动与压降分布,才能更好地设计微通道换热设备。

关键词：矩形微通道表观摩擦因子入口效应速度滑移数值模拟

微小尺度下气体流动与换热的格子Boltzmann模拟

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微小尺度下气体流动与换热的格子Boltzmann模拟

作者：周畅大连理工大学

学位级别：硕士

随着科学技术的进步和现代工业的发展,机械设备逐渐向着小型化、智能化的方向发展,微机电系统（MEMS）应运而生,近年来在航空航天、生物医学、汽车工程、光电等领域得到广泛的应用,具有美好的应用前景。在家用空调领域,小管径换热器由... 详细信息

随着科学技术的进步和现代工业的发展,机械设备逐渐向着小型化、智能化的方向发展,微机电系统（MEMS）应运而生,近年来在航空航天、生物医学、汽车工程、光电等领域得到广泛的应用,具有美好的应用前景。在家用空调领域,小管径换热器由于其相对较低的制造成本和较高的紧凑性,引起大量的关注。但是当管径逐渐减小时,一些在宏观尺度下可忽略的微尺度效应需要被考虑。格子Boltzmann方法作为一种介观数值模拟方法,具有边界条件处理简单,程序易于实现等优势,在气体微流动与换热领域逐渐得到广泛应用。本文首先基于小管径换热器,采用双分布函数热模型,研究外掠单管和管束的流动与换热现象。对于单管的模拟,随着Re数的增加,流体绕流圆管从稳态流动到逐渐发生脱体到最后出现非稳态的流动,产生卡门涡街,并且随着Re数的增加,换热逐渐增强。对于顺排管束与叉排管束,研究了管间距为1.5D,2D和2.5D的情况,在Re=40时,随着管间距的增加,平均Nu数呈现上升的趋势,并且管间距为2D和2.5D时换热趋势大致相同,Nu数相差较小,叉排管束由于没有前排管束的直接遮挡,使得换热情况优于顺排管束。当管径小于65μm时,会出现微尺度效应,流动和传热规律与常规尺度不同,此时必须考虑速度滑移和温度跳跃现象。本文随后对微通道滑移区气体的流动与换热问题展开分析,采用了新的边界处理格式,即平衡态与镜面反射相结合的边界,以捕捉固体边界处的速度滑移与温度跳跃,并采用该边界格式模拟分析了二维Poiseuille流和Couette流,研究结果表明光滑微通道内Poiseuille流和Couette流,在壁面处气体的速度与温度均与壁面的速度与温度存在偏差,即产生了速度滑移与温度跳跃现象,并且随着Knudsen数的增加,气体的稀薄效应更加显著,气固界面处的速度滑移与温度跳跃逐渐增加,相对滑移长度与温度跳跃长度也相应增加,同时摩擦阻力逐渐减小。在微尺度下,即使粗糙度很小,在边界处引起的扰动也会影响整个通道的流动与换热情况。本文最后模拟粗糙壁面Poiseuille流并与光滑情况进行对比,结果表明粗糙度的存在增加了气体与壁面的作用强度,使得能量交换增强,减弱了壁面处的速度滑移与温度跳跃,并且随着粗糙元高度的增加,相对速度滑移与温度跳跃长度均减小。

关键词：微尺度格子Boltzmann方法管束绕流速度滑移温度跳跃

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稀薄条件下空气静压导轨膜内气体流态分析

机械设计与制造 2017年第12期 45-48页

作者：宁方伟龙威公玲昆明理工大学机电工程学院云南昆明650500

基于空气静压导轨气膜支撑区气体分子运动和碰撞规律,提出气膜分层理论,沿气膜高度方向将气膜划分为近壁层、稀薄层、连续流层,提出划分稀薄层和连续流层的依据,建立物理模型并提出相应控制方程。基于空气静压导轨气膜压力递减及气体流... 详细信息

基于空气静压导轨气膜支撑区气体分子运动和碰撞规律,提出气膜分层理论,沿气膜高度方向将气膜划分为近壁层、稀薄层、连续流层,提出划分稀薄层和连续流层的依据,建立物理模型并提出相应控制方程。基于空气静压导轨气膜压力递减及气体流速变化规律,将气膜沿长度方向划分为压力驱动区和牛顿摩擦区。通过LAMMPS和FLUENT等仿真气膜支撑区气体流态并计算其流速和压力,得出了相关结论:气膜沿长度方向分为压力驱动区和牛顿摩擦区,沿高度方向分为近壁层、稀薄层、连续流层;气膜分层存在于压力驱动区和牛顿牛顿摩擦区;压力驱动区的气膜分层随气体流速的减小而变弱,牛顿摩擦区的气膜分层保持稳定。

关键词：空气静压导轨速度滑移 Knudsen数分子碰撞牛顿摩擦

Effects of Slip on Unsteady Mixed Convective Flow and Heat Transfer Past a Stretching Surface

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Chinese Physics Letters 2010年第12期27卷 113-116页

作者： S. Mukhopadhyay Department of Mathematics The University of Burdwan Burdwan-713104 W. B. India

在拉长上的不稳定的混合对流边界层流动和热转移垂直表面面对滑倒被调查。液体速度减少由于增加的速度滑动参数导致温度地的增加，这被注意。热转移的率与速度减少当它与摇摆增加时，滑动参数参数。一样的特征也被注意为热滑倒参数。[... 详细信息

在拉长上的不稳定的混合对流边界层流动和热转移垂直表面面对滑倒被调查。液体速度减少由于增加的速度滑动参数导致温度地的增加，这被注意。热转移的率与速度减少当它与摇摆增加时，滑动参数参数。一样的特征也被注意为热滑倒参数。[从作者抽象]

关键词：混合对流换热非定常流动伸展滑面速度滑移对流边界层稳定参数热传导

Research on Wet Steam Spontaneous Condensing Flows Considering Phase Transition and Slip

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Journal of Thermal Science 2013年第4期22卷 320-326页

作者： Ke CUI Huan-long CHEN Yan-ping SONG Hiroharu OYAMA School of Energy Science and Engineering Harbin Institute of Technology Mitsubishi Heavy Industries LTD

A new dual-fluid model considering phase transition and velocity slip was proposed in this paper and the Cunningham correction was used in the droplet resistance calculation. This dual-fluid model was applied to the numerical simulations of wet steam flow in a 2D LAVAL nozzle and in the White cascade respectively. The results of two simulations demonstrate that the model is reliable. Meanwhile, the spontaneous condensing flow in White cascade was analyzed and it infers that the irreversible loss caused by condensation accounts for the largest share (about 8.78% of inlet total pressure) in total pressure loss while the loss caused by velocity slip takes the smallest share (nearly 0.42%), and another part of total pressure loss caused by pneumatic factors contributes a less share than condensation, i.e. almost 3.95% of inlet total pressure.

关键词：凝结流动湿蒸汽双流体模型总压损失相变速度滑移数值模拟拉瓦尔喷嘴

微尺度流动与传热特性分析及层板发汗单元温度场的计算

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微尺度流动与传热特性分析及层板发汗单元温度场的计算

作者：侯永发国防科学技术大学

学位级别：硕士

当流场特征尺寸为微米或亚微米量级时,一些常规大尺度流动中可以被忽略的因素可能在流动中占据主导地位,从而导致各种奇异的微尺度流动现象。本文主要研究滑移区微尺度流动的流动和传热特性,以及考虑微尺度效应下层板发汗单元耦合温度... 详细信息

当流场特征尺寸为微米或亚微米量级时,一些常规大尺度流动中可以被忽略的因素可能在流动中占据主导地位,从而导致各种奇异的微尺度流动现象。本文主要研究滑移区微尺度流动的流动和传热特性,以及考虑微尺度效应下层板发汗单元耦合温度场的计算。本文分析了采用二阶速度滑移和温度跳跃边界的二维微尺度Poisuelle的流动和传热特性。无量纲滑移长度随Kn的增大而减小,阻力系数fRe随Kn减小。Br数表征粘性热耗散的强弱,当Br较小时,导热占主导地位,不同Kn温度分布为线性分布,且壁面处温度跳跃随Kn增大而增大;当Br较大时,不同Kn下,温度分布随Br的增大呈现明显的非线性。低温壁面处的Nu随Kn的增大而减小,说明了微尺度效应削弱了壁面处的导热;粘性热耗散的作用等效于热源作用,随Br的增大,粘性热耗散作用越强烈,低温壁面的导热量越大。高温壁面处的Nu随Kn和Br的变化存在奇点。采用总能双分布函数模型模拟了微尺度条件下的传热问题。从二维Couett流动的模拟结果可以看出,该模型可以有效地模拟粘性热耗散的影响;对二维微尺度Poisuelle流动的模拟进行分析,由于存在温度跳跃,使壁面处导热削弱,局部Nu数随Kn的增大而减小;微尺度效应加强了入口处的换热,入口段长度随Kn的增大而减小。建立层板单元和冷却剂温度场计算的耦合传热模型。当考虑微尺度效应时,层板最高温度高于忽略此效应的温度,且随着Kn的增大,二者的差别也随之增大。热浸深度随冷却剂流量的增大而减小,随单元层板的厚度增大而增大。热浸深度随层板的导热系数的增大几乎以线性方式增大,层板温度随之降低。建立层板单元稳定性分析的数学模型,根据层板温度的非线性分布,采用了抛物线分布假设,应用伽辽金法得到了层板单元的失稳临界厚度。考虑到层板发汗结构工作过程中会使某一流道堵塞,导致层板温度升高,因而需要的更大的层板单元厚度以保证稳定性不被破坏。临界厚度与材料泊松比和热膨胀系数有关,计算表明,高泊松比或热膨胀系数的材料更容易发生热皱损。

关键词：速度滑移温度跳跃总能双分布LBM 层板发汗热皱损

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基于微纳结构的舰船仿生减阻研究

基于微纳结构的舰船仿生减阻研究

作者：李鹏华中科技大学

学位级别：硕士

在宏观尺度下,由于有足够多的分子与壁面发生碰撞,所以流动问题的壁面条件多采用速度无滑移条件。但是在微尺度问题中,几何尺寸的微小不能保证充分高的分子与壁面的碰撞频率,这就必然引起壁面处的速度滑移。“速度滑移”是指流体在固体... 详细信息

在宏观尺度下,由于有足够多的分子与壁面发生碰撞,所以流动问题的壁面条件多采用速度无滑移条件。但是在微尺度问题中,几何尺寸的微小不能保证充分高的分子与壁面的碰撞频率,这就必然引起壁面处的速度滑移。“速度滑移”是指流体在固体表面流动时流体和表面之间在界面处的切向速度差。流体流动和表面的切向速度相等时即为常规流体力学中常采用的无滑移边界条件。特征尺度的微小化使得壁面的微观结构也成为一个影响流动特性的重要因素。本文主要从速度滑移方面入手,模拟流体在不同直径的通道流动时的滑移现象,研究壁面结构对速度滑移的影响,分析速度滑移对微纳尺度流动的影响规律,进而利用这一规律,寻找到一种特殊的微纳结构,以达到减摩降阻的效果。重点研究微流动各项参数对流体速度滑移的影响,包括通道直径、壁面形状、微纳结构等,以求得达到最大速度滑移的壁面条件。其中,通道直径的范围包括连续介质区、滑移区和过渡区,对比分析Kn数对流体速度分布的影响。壁面形状则包括矩形波、三角波和正弦波三种形状的壁面,希望通过对比能够找到对速度滑移有利的壁面形状。对于微纳结构的研究始于对“荷花效应”的认识。荷花效应具有疏水自洁、减摩防粘的功能,对制备仿生功能表面具有很大的应用价值。由于微纳结构特有的超疏水性,对流速的分布情况也有重要影响,本文通过数值模拟,分析微纳结构的作用机制,从而对微纳结构的特殊性质加以利用,以达到减小流动阻力的效果。

关键词：微纳尺度流动速度滑移微纳结构超疏水性仿生减阻

CFD/DSMC耦合法在微尺度气体流动与燃烧中的应用

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CFD/DSMC耦合法在微尺度气体流动与燃烧中的应用

作者：索少一大连理工大学

学位级别：硕士

减少燃烧过程中的污染物排放、提高燃烧效率是当前燃烧领域研究的两大课题。在众多新型先进的燃烧技术中,多孔介质燃烧技术在近二十年的学术和工程领域引起了广泛的关注,成为可望解决上述两大问题的一个有效途径。国内外迄今为止对过滤... 详细信息

减少燃烧过程中的污染物排放、提高燃烧效率是当前燃烧领域研究的两大课题。在众多新型先进的燃烧技术中,多孔介质燃烧技术在近二十年的学术和工程领域引起了广泛的关注,成为可望解决上述两大问题的一个有效途径。国内外迄今为止对过滤燃烧的研究,尽管已经取得了长足的进展和可喜的成果,仍存在诸多问题和空白领域,特别对于基础性的科学问题,有待深入研究和探明。其研究方法,由宏观到微观可归纳为计算流体动力学(CFD)方法、直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法以及分子动力学(MD)方法等。已有研究资料表明,采用单一方法很难在计算资源有限的情况下,兼顾相对宏观的流场与局部的微观效应,因此本文就微尺度条件下的气体流动与燃烧等特性,在CFD方法和DSMC方法耦合的基础上进行数值研究,以期增强对多孔介质局部范围内流动、燃烧等现象的了解,对诸如医药、化工、生物、航空航天等其他领域的微机电系统(MEMS)器件的设计与研发亦有所启发。首先,本文应用CFD/DSMC耦合迭代的算法,结合平滑与粗糙两种壁面边界条件,对宽501μm,假定无限长的微型管道内的气体流动与传热进行模拟研究,发现：在本文所设定算例中,与采用单纯的CFD方法相比,采用耦合算法得到的速度场,因存在速度的滑移现象,在近壁面处呈现较大的差异,并影响到其核心流域的流场,并随着壁面“粗糙”程度增大,核心流域速度越小;管内温度分布在耦合前后没有太大差异,但核心流域温度随着壁面“粗糙”程度的增高而降低;在近壁面处,耦合所得结果存在着温度跳跃的现象。然后,在考虑化学反应的情况下,引入H2/O26组分7步可逆基元燃烧反应机理,同样地,采用CFD/DSMC耦合迭代的算法对长25μm,前10μm为渐缩管后151μm为直管的管道内的氢氧燃烧反应、流动与传热特性以及组分输运等进行模拟研究。其结果表明：在入口速度设定为50m/s的情况下,使用DS2V更新Fluent边界上的数据后,模拟所得结果与壁面滑移速度存在着很大的关联性。此时壁面滑移速度的影响超过壁面温度突跃的影响,在滑移速度大的区域,生成物的各组分含量较少,而在滑移速度小的区域,生成物各组分的含量则较多。另外,相对于耦合前,耦合后流场中心流域的速度有所增大,Y方向速度受到壁面边界条件的干扰,进入直管区域后速度普遍不为零。

关键词： CFD/DSMC耦合迭代流动与传热氢氧燃烧反应速度滑移温度突跃