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(shù)的飛速發(fā)展，微型換熱器的研發(fā)受到廣泛關(guān)注，并已成功應(yīng)于用微電子元器件，微電子機械系統(tǒng)以及微型醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。微型換熱器技術(shù)被認為是換熱器領(lǐng)域有發(fā)展?jié)摿Φ男乱淮鷵Q熱技術(shù)，其傳熱機理研究也是熱能傳遞與動力轉(zhuǎn)換以及強化傳熱節(jié)能技術(shù)領(lǐng)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(jié)構(gòu)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(jīng)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(zhì)的絕熱腔體內(nèi)，并對該微結(jié)構(gòu)下單對冷熱管浸沒在絕熱圓柱腔體內(nèi)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(guān)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(jù)實驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的對比，提出了考慮三維效應(yīng)的冷熱微細管間自然對流換熱的Nu預(yù)測關(guān)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(nèi)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(nèi)的流動傳熱特性，影響因素包括冷熱管布管方式、管內(nèi)流速、冷熱源溫差等。并將實驗結(jié)果與LBM數(shù)值模擬結(jié)果做了對比分析。主要結(jié)論如下：
　　(1)靜止狀態(tài)下單對冷熱微細管的性能實驗結(jié)果表明：微管

4、內(nèi)外都用水作介質(zhì)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(nèi)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(nèi)層流換熱需要考慮入口段效應(yīng)。管內(nèi)流動阻力系數(shù)可以用常規(guī)尺度經(jīng)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(jié)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(guān)，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(guān)。實驗結(jié)果與LBM數(shù)值計算結(jié)果表明：冷熱水平布置的實驗結(jié)果與模擬結(jié)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(nèi)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(yīng)的冷熱微細管外自然對流Nu預(yù)測關(guān)聯(lián)式，實驗值與預(yù)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(nèi)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(nèi)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(jié)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(guān)聯(lián)式，與1964年Lemlich最早提出的單管振動強化關(guān)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(jié)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(yù)測值與實驗值的h/ho平均誤差為6.2%。該換熱結(jié)構(gòu)下預(yù)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(jié)構(gòu)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(nèi)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(nèi)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(zhuǎn)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(nèi)冷熱微細管間Nu和Ra, Pr的準則關(guān)系式,并與實驗結(jié)果進行了對比