微尺度非牛頓流體換熱強化機理研究

微尺度非牛頓流體換熱強化機理研究

《微尺度非牛頓流體換熱強化機理研究》是依託中山大學,由李小斌擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

  • 中文名:微尺度非牛頓流體換熱強化機理研究
  • 項目類別:青年科學基金項目
  • 項目負責人:李小斌
  • 依託單位:中山大學
中文摘要,結題摘要,

中文摘要

本項目旨在研究微尺度條件下使用非牛頓粘彈性流體獲得的傳熱強化效果及其微觀機理。首先,完善微尺度流動及傳熱實驗系統,利用微粒子成像測速儀獲得不同流動條件下(不同熱物性流體和不同結構微通道)彈性湍流的精細化流場信息,同時獲得壓力降和溫度場的變化過程,分析彈性湍流對被動標量和主動溫度標量演化的促進效果及流動參數對換熱參數的影響。其次,引入能量方程,耦合溫度場和速度場,實現粘彈性流體在彈性湍流條件下傳熱過程的直接數值模擬,分析粘彈性流體的微觀結構和流場變形之間的關係以及流場變形和溫度場的演化過程。最後,綜合實驗測量和直接數值模擬結果,研究流動參數變化和溫度、熱流脈動,使用本徵正交分解和非線性動力學方法研究流動及溫度場的確定性結構,揭示微尺度下彈性湍流的傳熱強化機理。本項目的研究結果將為新型的微尺度換熱技術開發提供重要指導,並為尋求適合微能源動力裝置及微電子晶片等散熱的高效工質奠定基礎。

結題摘要

本項目旨在研究微尺度條件下使用非牛頓粘彈性流體獲得的傳熱強化效果及其微觀機理。根據非牛頓流體所具有的幾方面獨特性質,本研究提出了利用粘彈性流體作為微尺度通道內傳熱工質的創新性思想,具體研究內容包括4個方面:(1)實驗和數值模擬研究不同流動工況下流動的混沌流動特性;(2)實驗研究微通道內傳熱能力;(3)實驗研究改變流體性質對沸騰傳熱的強化能力;(4)數值模擬微通道內和歧管式換熱其中非牛頓流體的換熱特性,從微觀方面研究非牛頓流體對傳熱效果增強機理。在微尺度流動的測量方面,進行了牛頓流體和粘彈性流體在彎曲微通道內部的流動實驗,採用共聚焦micro-PIV技術、數字全息顯微鏡測量(DHM)技術和偏振光測量技術來獲得微通道內速度場以及速度相關的統計量,同時進行了瞬時速度分布、平均速度場、速度脈動、統計特性及速度脈動能譜衰減等分析。結果表明,粘彈性流體誘發了彈性不穩定流動,在流動中的非線性要強於牛頓流體的Dean二次流,在微通道拐點部位的三維流動中出現了兩股交叉扭轉的高速流動。在微尺度對流傳熱和沸騰傳熱方面,主要進行了彎曲微通道內的粘彈性流體對流換熱測量以及微絲過熱的表面活性劑溶液池內沸騰測量。在底面加熱的彎曲微通道粘彈性流體對流換熱中,最高的傳熱強化程度可達426 %。另外,表面活性劑溶液在微絲表面的池內沸騰中表現出了很強的傳熱強化效果,熱流密度提升,傳熱係數增強,CHF進一步提高,並且發現了獨特的氣泡射流和氣泡爆炸現象。在數值模擬方面,使用冪律流體在彎曲微通道和歧管式換熱器中進行了傳熱模擬,結果表明偽塑性的流體不僅可以強化傳熱,還可以保持較低的流動阻力。同時,對於底面加熱的流動工況,加熱面溫度場分布更加均勻。基於本項目中複雜流體的引入對微尺度傳熱傳質強化效果,尋求微能源動力裝置及微電子晶片散熱的新型工質,將具有重要的學術和套用價值。

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