冷熱微細管交錯排列振動強化傳熱機理研究.pdf

1、隨著微系統(tǒng)與納米技術的飛速發(fā)展，微型換熱器的研發(fā)受到廣泛關注，并已成功應于用微電子元器件，微電子機械系統(tǒng)以及微型醫(yī)療設備等領域。微型換熱器技術被認為是換熱器領域有發(fā)展?jié)摿Φ男乱淮鷵Q熱技術，其傳熱機理研究也是熱能傳遞與動力轉換以及強化傳熱節(jié)能技術領域的重要研究方向。
　　微型換熱器具有體積小、單位體積換熱面積大、單位體積換熱量大、高耐壓、節(jié)約金屬材料等優(yōu)勢，結構緊湊，具有較高的傳熱系數(shù)。再被動地增加傳熱面積來提高換熱性能已經意義不大

2、，而需要探索一種新的微尺度傳熱強化方法或模式。既能保證較高的傳熱系數(shù)，又能較好地克服流動死角，換熱器溫度分布不均，橫向流動沖刷破壞管束等缺陷。
　　本文的創(chuàng)新在于，第一：提出了一種新型微管換熱器，即冷熱微管交錯分層排列浸沒在有中間介質的絕熱腔體內，并對該微結構下單對冷熱管浸沒在絕熱圓柱腔體內的流動與傳熱機理進行了研究；第二：揭示了冷熱微細管組的振動強化傳熱機理,提出了振動強化換熱無量綱關系式，給出了振動強化換熱的投入與收益的綜合評

3、價指標；第三：根據實驗結果與數(shù)值模擬結果的對比，提出了考慮三維效應的冷熱微細管間自然對流換熱的Nu預測關聯(lián)式。
　　首先，通過實驗和LBM數(shù)值研究了單對冷熱微細管組腔體內靜止狀態(tài)下的換熱性能。具體分析了冷熱微細管間自然對流換熱性能和微細管內的流動傳熱特性，影響因素包括冷熱管布管方式、管內流速、冷熱源溫差等。并將實驗結果與LBM數(shù)值模擬結果做了對比分析。主要結論如下：
　　(1)靜止狀態(tài)下單對冷熱微細管的性能實驗結果表明：微管

4、內外都用水作介質的整體傳熱系數(shù)400-800W/(m2·K)。用極差法分析得出冷熱管布置方式對整體傳熱性能的影響最大，冷熱源溫差次之，管內流量最小。在不同的布管方式下，整體換熱性能隨著冷熱源溫差的增加程度略有不同，熱管在冷管下方的布管方式（熱下）提升最多，熱管在冷管上方的布管方式（熱上）次之，冷熱水平布管方式最后。明確了微管內層流換熱需要考慮入口段效應。管內流動阻力系數(shù)可以用常規(guī)尺度經典公式計算，但是層流向湍流過渡的臨界雷諾數(shù)由2300

5、提前到2000。
　　(2)本實驗的研究結果表明，冷熱管外自然對流努塞爾數(shù)Nuo不僅與冷熱管間的瑞利數(shù) Ra1有關，還與冷熱管布管方式，冷熱源溫差，中間流體普朗特數(shù) Pr有關。實驗結果與LBM數(shù)值計算結果表明：冷熱水平布置的實驗結果與模擬結果吻合較好，而熱上、熱下兩種布管方式相差略大。研究認為熱上和熱下這種布管方式腔體內實際自然對流換熱與理論二維模擬不同，存在沿冷熱管軸向的三維流動，實際自然對流可能是三維螺旋的而不是二維平面的。通

6、過最小二乘法提出了考慮三維效應的冷熱微細管外自然對流Nu預測關聯(lián)式，實驗值與預測值偏差在-10％-+10%之間，平均誤差在4.3%-14%之間。
　　其次，實驗研究了冷熱微細管在中間流體內施加微小振動的強化傳熱機理。具體研究了振動頻率、振幅、冷熱管布管方式、冷熱源溫差、管內流量等因素對冷熱管間混合對流Nu的影響，并與以往文獻做了對比研究。主要結論如下：
　　(3)本實驗條件下，振動實驗的整體傳熱系數(shù)500-1200W/(m2

7、·K)。低頻振動下管外混合對流Nu都是隨振動頻率的增加而增加，但對熱下，熱上，冷熱水平三種布管方式，Nu隨振動頻率增加的程度不同，冷熱水平程度最大，熱上次之，熱下最小。
　　(4)提出了無量綱振動強化傳熱關聯(lián)式，與1964年Lemlich最早提出的單管振動強化關聯(lián)式相似，表明振動強化傳熱的倍數(shù)h/ho是振動引起的強迫對流項與自然對流項比值0.40.60.26Rev（A/D) Pr Ra的S形曲線函數(shù)。相同自然對流強度條件下，振動越

8、強，傳熱強化倍數(shù)越高；相同振動強度下，自然對流越弱，傳熱強化倍數(shù)越高。實驗結果表明：振動引起的強迫對流項與自然對流項比值太小，當小于20時，振動強化倍數(shù)幾乎為1；大于20時，振動強化傳熱倍數(shù)急劇上升。擬合曲線預測值與實驗值的h/ho平均誤差為6.2%。該換熱結構下預測振動強化最大倍數(shù)6.16，S曲線較平緩，強化倍數(shù)急劇增長的起點在20-30之間。
　　(5)通過定義振動強化傳熱量與輸入功率的比值評價指標Sy，對該微管換熱結構的傳熱

9、性能進行了綜合評價，當輸入功率Psr=1 W時，收益為1.7×104W。在輸入Psr<1W,在實驗范圍內收益隨振動輸入功率的增加而減小。
　　另外，采用多格子LBM數(shù)值方法和直接力嵌入邊界LBM數(shù)值方法分別研究了封閉方型腔體和圓形腔體內冷熱微細管間的自然對流換熱。具體討論了瑞利數(shù)Ra，腔體旋轉角度A，腔體邊界條件，腔體形狀等對整體換熱性能的影響。提出了絕熱圓形腔體內冷熱微細管間Nu和Ra, Pr的準則關系式,并與實驗結果進行了對比