冷熱微細(xì)管交錯(cuò)排列振動(dòng)強(qiáng)化傳熱機(jī)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(jī)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(rèn)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(jī)理研究也是熱能傳遞與動(dòng)力轉(zhuǎn)換以及強(qiáng)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(shì)，結(jié)構(gòu)緊湊，具有較高的傳熱系數(shù)。再被動(dòng)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(qiáng)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(dòng)死角，換熱器溫度分布不均，橫向流動(dòng)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(cuò)分層排列浸沒在有中間介質(zhì)的絕熱腔體內(nèi)，并對(duì)該微結(jié)構(gòu)下單對(duì)冷熱管浸沒在絕熱圓柱腔體內(nèi)的流動(dòng)與傳熱機(jī)理進(jìn)行了研究；第二：揭示了冷熱微細(xì)管組的振動(dòng)強(qiáng)化傳熱機(jī)理,提出了振動(dòng)強(qiáng)化換熱無量綱關(guān)系式，給出了振動(dòng)強(qiáng)化換熱的投入與收益的綜合評(píng)

3、價(jià)指標(biāo)；第三：根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比，提出了考慮三維效應(yīng)的冷熱微細(xì)管間自然對(duì)流換熱的Nu預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式。
　　首先，通過實(shí)驗(yàn)和LBM數(shù)值研究了單對(duì)冷熱微細(xì)管組腔體內(nèi)靜止?fàn)顟B(tài)下的換熱性能。具體分析了冷熱微細(xì)管間自然對(duì)流換熱性能和微細(xì)管內(nèi)的流動(dòng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與LBM數(shù)值模擬結(jié)果做了對(duì)比分析。主要結(jié)論如下：
　　(1)靜止?fàn)顟B(tài)下單對(duì)冷熱微細(xì)管的性能實(shí)驗(yàn)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(duì)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(dòng)阻力系數(shù)可以用常規(guī)尺度經(jīng)典公式計(jì)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(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果表明，冷熱管外自然對(duì)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?cái)?shù) Pr有關(guān)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與LBM數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明：冷熱水平布置的實(shí)驗(yàn)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(rèn)為熱上和熱下這種布管方式腔體內(nèi)實(shí)際自然對(duì)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(dòng)，實(shí)際自然對(duì)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(xì)管外自然對(duì)流Nu預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式，實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值偏差在-10％-+10%之間，平均誤差在4.3%-14%之間。
　　其次，實(shí)驗(yàn)研究了冷熱微細(xì)管在中間流體內(nèi)施加微小振動(dòng)的強(qiáng)化傳熱機(jī)理。具體研究了振動(dòng)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(duì)冷熱管間混合對(duì)流Nu的影響，并與以往文獻(xiàn)做了對(duì)比研究。主要結(jié)論如下：
　　(3)本實(shí)驗(yàn)條件下，振動(dòng)實(shí)驗(yàn)的整體傳熱系數(shù)500-1200W/(m2

7、·K)。低頻振動(dòng)下管外混合對(duì)流Nu都是隨振動(dòng)頻率的增加而增加，但對(duì)熱下，熱上，冷熱水平三種布管方式，Nu隨振動(dòng)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(dòng)強(qiáng)化傳熱關(guān)聯(lián)式，與1964年Lemlich最早提出的單管振動(dòng)強(qiáng)化關(guān)聯(lián)式相似，表明振動(dòng)強(qiáng)化傳熱的倍數(shù)h/ho是振動(dòng)引起的強(qiáng)迫對(duì)流項(xiàng)與自然對(duì)流項(xiàng)比值0.40.60.26Rev（A/D) Pr Ra的S形曲線函數(shù)。相同自然對(duì)流強(qiáng)度條件下，振動(dòng)越

8、強(qiáng)，傳熱強(qiáng)化倍數(shù)越高；相同振動(dòng)強(qiáng)度下，自然對(duì)流越弱，傳熱強(qiáng)化倍數(shù)越高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：振動(dòng)引起的強(qiáng)迫對(duì)流項(xiàng)與自然對(duì)流項(xiàng)比值太小，當(dāng)小于20時(shí)，振動(dòng)強(qiáng)化倍數(shù)幾乎為1；大于20時(shí)，振動(dòng)強(qiáng)化傳熱倍數(shù)急劇上升。擬合曲線預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的h/ho平均誤差為6.2%。該換熱結(jié)構(gòu)下預(yù)測(cè)振動(dòng)強(qiáng)化最大倍數(shù)6.16，S曲線較平緩，強(qiáng)化倍數(shù)急劇增長(zhǎng)的起點(diǎn)在20-30之間。
　　(5)通過定義振動(dòng)強(qiáng)化傳熱量與輸入功率的比值評(píng)價(jià)指標(biāo)Sy，對(duì)該微管換熱結(jié)構(gòu)的傳熱

9、性能進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，當(dāng)輸入功率Psr=1 W時(shí)，收益為1.7×104W。在輸入Psr<1W,在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)收益隨振動(dòng)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(xì)管間的自然對(duì)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(duì)整體換熱性能的影響。提出了絕熱圓形腔體內(nèi)冷熱微細(xì)管間Nu和Ra, Pr的準(zhǔn)則關(guān)系式,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比