微尺度流道相变传热特性的实验研究

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微通道换热器流动和传热特性的研究

微通道换热器流动和传热特性的研究微通道换热器流动和传热特性的研究杨海明朱魁章张继宇杨萍(中国电子科技集团公司第十六研究所,合肥230043)摘要：通过对微通道换热器流动和传热特性的研究,设计了实验方案并建立了相应的实验装置,结合流动、传热特性的相关准则,得出了雷诺数Re-摩擦系数f,雷诺数Re、普郎特数Pr-努谢尔特数Nu间关系的实验模型,并对该模型进行了分析。

关键词：微通道换热器;流动特性;传热特性;实验模型1引言通道式换热器是利用传热学原理将热量从热流体传给冷流体的,冷热流体分别在固体壁面的两侧流过,热流体的热量以对流和传导的方式传给冷流体。

由于它结构紧凑、体积小、换热效果好,已广泛应用于红外探测、电子设备、生物医疗等工程领域的冷却中。

然而随着现代科技水平的不断发展,被冷却的器件、设备其功能越来越强大,体积和重量越来越小,结构趋于复杂化,散热要求越来越苛刻,迫使采用通道式换热器的制冷器件向小型化、甚至微型化的方向发展,尤其是半导体激光器、T/R收发组件、微电子集成器件等电子仪器、设备对这方面的要求更高,于是微通道换热器(特别是微型节流制冷器MMR)的研制开发已迫切地提到了议事日程上来。

所谓微通道换热器即是采用拉丝或光刻等技术在金属、玻璃等基材上刻出几十至几百微米的细微槽道来构成换热器的壁面,再采用焊接或胶粘等方式形成封闭腔体来进行冷热流体的热交换,达到制冷的目的。

国外对微通道换热特性的研究较多,但主要是进行直线微通道换热器特性的研究,早期关于其流动问题的研究是在微型Joule-Thomson制冷技术中完成的,由美国斯坦福大学利特尔(W.A. Little)教授发明,采用现代半导体光刻加工技术, 在微晶玻璃薄片上刻出几微米到几十微米的细微直线槽道,并采用胶粘技术构成气流的微型换热器、节流元件和蒸发器,从而获得了一种结构新颖的微型平面节流制冷技术以及一定的成果和专利。

目前已经开发成微型制冷器,用于低温电子器件的冷却,产品照片如图3所示。

纳米流体在微通道中的传热特性研究

纳米流体在微通道中的传热特性研究纳米流体是指含有纳米粒子的流体，具有较高的传热性能和流体动力学特性。

近年来，随着纳米材料的发展和应用，纳米流体在微通道中的传热特性研究成为热力学和微流体力学领域的热点之一。

本文将探讨纳米流体在微通道中的传热特性以及其应用前景。

首先，纳米流体在微通道中具有较高的传热性能。

纳米粒子的加入能够增加流体的导热性能，提高热传导率。

通过调整纳米粒子的种类、浓度和尺寸等参数，可以实现对导热性能的调控。

此外，纳米流体还具有较高的比表面积，使得流体与微通道壁面之间的热传递更为充分，进一步提高传热效率。

其次，纳米流体的流体动力学特性在微通道中也发挥重要作用。

纳米粒子的加入可以改变流体的黏性和流动性，在微通道中产生新的流体行为。

例如，纳米流体的雷诺数过渡区较大，呈现出非线性、剥离和再注入等复杂的流动现象。

这些特殊的流体动力学行为既对传热特性的研究提出了挑战，同时也为微流体混合器、分离器、微反应器等微流体器件的设计提供了新的思路和方法。

纳米流体在微通道中的传热特性研究不仅在基础学科上有重要意义，也对实际应用具有广泛的潜力。

首先，纳米流体的高传热性能使其成为微电子器件冷却技术的有力候选。

随着集成电路尺寸的不断缩小，电子器件的功耗急剧增加，需要更加高效的散热方式。

纳米流体的良好导热性能和可调控的流动性质可以实现对微电子器件的快速、均匀散热，提高器件的可靠性和寿命。

其次，纳米流体在能源领域的应用也引起了广泛关注。

纳米流体的高热传导率和可调控的流态特性使其在太阳能集热器、燃料电池、换热器等领域具有广阔的应用前景。

例如，利用纳米流体在微通道中的优良传热性能，可以提高太阳能集热器的热转换效率，实现更高效的太阳能利用。

此外，纳米流体在生物医学领域的应用也备受瞩目。

纳米流体的高比表面积和可控的流动性质使其成为药物传递和细胞操作的有力工具。

通过设计合适的纳米流体体系，可以实现药物的快速、均匀释放，提高疗效。

探究制冷剂为R134a的多微通道扁管内沸腾传热特性

置在实验段上表面,从入口处开始每间隔30mm处布置一个热电偶。表1给出了实验段的详细几何尺寸。
图1实验系统示意图
制冷剂在系统中经历压缩、放热、节流和吸热四个主要热力过程。低温低压气态制冷剂在压缩机中压缩为高温高压气态,高压气态制冷剂流入冷凝器,通过冷凝风机向空气中放热,凝结为液态后,经热力膨胀阀减压降温进入实验段,通过外界电加热片辅助加热,在实验段中液态制冷剂被汽化为低压制冷剂蒸气,再进入压缩机中完成一个循环。通过手动控制阀开关可进行压缩机、制冷剂和实验段的更换。在整个实验过程,采用数据采集仪器实时记录微通道扁管压力、温度等相关参数的数据。
为进一步研究传热工质在多微通道扁管内的流动与沸腾换热特性,本文实验研究制冷剂R134a 在不同微通道尺寸、制冷剂充注量以及给定加热功率条件下的表面温度变化以及传热系数变化,为多微通道扁管的工程应用提供数据支撑。
2、实验系统和数据处理
2.1实验系统介绍
图1所示为实验系统原理图,由测试系统和采集系统两部分所组成,T为温度测点、P为压力测点。测试系统主要包括交流变频压缩机、风冷式冷凝器、多微通道扁管实验段、热力膨胀阀、调压器、气液分离器、储液罐等。实验段进出口安装差压传感器测量压降,实验流体为R134a。实验段的下表面贴有电加热片实现对扁管的恒热流加热,加热功率通过测功仪进行测量。热电偶均匀布
[14]袁俊飞,王林,王占伟,等.入口节流微通道换热器内相变传热特性[J].低温与超导,2019,47(08):59-64.
[17]徐济鋆.沸腾传热和气液两相流[M].北京:原子能出版社,2001:273-278.
汪琪薇,阴婷婷,何杰,鲁进利,代苏苏,吴子璇.多微通道扁管沸腾传热特性实验研究[J].低温与超导,2020,48(10):73-78.

《弯曲矩形微纳通道内的流体流动及其传热、传质问题的研究》范文

《弯曲矩形微纳通道内的流体流动及其传热、传质问题的研究》篇一一、引言在当代科学技术发展迅速的背景下，微纳尺度下的流体流动与传热传质问题逐渐成为科研领域的重要课题。

特别是在弯曲矩形微纳通道内，流体流动的复杂性以及其与传热传质过程的相互作用，不仅对微观领域的研究有着重要的科学价值，同时也在工程应用中有着广泛的实用意义。

本文将深入探讨这一领域的科学研究及其进展。

二、微纳通道流体的动力学特性微纳尺度下的流体流动与传统尺度有着显著的差异。

由于通道尺寸的减小，流体在微纳通道内的流动受到诸多因素的影响，如表面效应、惯性效应、粘性效应等。

这些效应的相互作用使得流体的动力学行为变得复杂。

特别是在弯曲的微纳通道中，流体的流动受到通道几何形状的影响，产生复杂的流动模式和流动现象。

首先，在弯曲矩形微纳通道中，由于通道曲率的存在，流体在通道内的流速分布发生了显著变化。

流体在弯道处受到离心力的作用，使得靠近壁面的流速增加，而中心区域的流速降低。

此外，流体的层流到湍流的转变在微纳尺度下也可能提前发生，这进一步增加了流动的复杂性。

其次，表面效应在微纳尺度下变得显著。

由于通道尺寸的减小，通道壁面的粗糙度、润湿性等因素对流体流动的影响更加明显。

这可能导致流体的粘性增强或减少，进一步影响流体的流动状态。

三、弯曲矩形微纳通道的传热问题传热问题在弯曲矩形微纳通道内是一个复杂的课题。

一方面，由于微纳尺度下表面效应的显著性，通道壁面与流体的热交换能力增强。

另一方面，由于流体在弯道处的流速分布变化，可能导致局部的热传导速率发生变化。

在处理这类问题时，通常需要考虑到热传导、对流换热和辐射换热等多种因素的综合作用。

在弯曲通道中，这些因素的相互作用可能导致温度分布的不均匀性。

特别是当有热量在微纳通道中传递时，需要关注温度梯度对流体流动的影响以及由此产生的热应力等问题。

四、弯曲矩形微纳通道的传质问题传质问题在弯曲矩形微纳通道内同样重要。

由于微纳尺度的特殊性，传质过程往往伴随着复杂的扩散和混合现象。

《2024年弯曲矩形微纳通道内的流体流动及其传热、传质问题的研究》范文

《弯曲矩形微纳通道内的流体流动及其传热、传质问题的研究》篇一一、引言随着微纳技术的发展，微尺度下的流体流动与传热传质问题逐渐成为研究热点。

弯曲矩形微纳通道作为微流控领域的重要研究对象，其内部流体流动特性及相关的传热、传质问题研究具有深远的意义。

本文旨在深入探讨弯曲矩形微纳通道内的流体流动特性，以及传热和传质现象，以期为微尺度下的流体控制与能量传递提供理论支持。

二、弯曲矩形微纳通道的流体流动特性在微纳尺度下，流体的流动特性与宏观尺度存在显著差异。

弯曲矩形微纳通道的流体流动受到多种因素的影响，包括通道的几何形状、尺寸、流体的物理性质以及外部施加的力场等。

首先，通道的几何形状和尺寸对流体流动具有重要影响。

弯曲的通道结构会导致流体的惯性力与粘性力之间的平衡发生变化，从而影响流体的流速分布和湍流特性。

此外，微纳尺度的通道尺寸会使得流体在通道内产生较高的速度梯度和剪切力，进一步影响流体的流动状态。

其次，流体的物理性质也是影响流体流动的关键因素。

流体的粘度、密度、表面张力等都会影响流体在微纳通道内的流动状态。

特别是在高雷诺数条件下，这些物理性质对流体的层流和湍流转换具有重要影响。

最后，外部施加的力场也会对流体流动产生影响。

例如，电场、磁场和压力场等都会改变流体的运动轨迹和速度分布。

三、弯曲矩形微纳通道的传热问题在微纳尺度下，传热问题具有独特的特点。

由于微纳通道的尺寸较小，其内部的热传导过程与宏观尺度存在显著差异。

首先，微纳通道内的流体流动状态对传热过程具有重要影响。

在层流状态下，热量主要通过导热和对流进行传递；而在湍流状态下，由于流体的混合和扰动作用，热量传递更加迅速和均匀。

其次，通道的几何形状和尺寸也会影响传热效果。

弯曲的通道结构会增加流体的湍流程度，从而增强热量传递。

此外，微纳尺度的通道尺寸可以减小热边界层的厚度，提高传热效率。

最后，流体的物理性质也是影响传热的重要因素。

例如，流体的导热系数、比热容和粘度等都会影响热量在微纳通道内的传递速度和效率。

微尺度流动介绍

6.结论
本文研究了一种在管道内的反向流动的三维层流混合对流流动的模拟，研究了台阶高度对流动和传热特性的影响。管子的高度，和下游步长是随着雷诺数分别固定为：但台阶高度分别为。复杂的三维流体从与相邻的侧壁回旋和逆流区域的步骤下游发展。流体在分离的区域中，撞击阶梯壁产生最大的努塞尔数，在附着区域产生最小的努塞尔数。结果表明，附着区域长度和努塞尔数和侧壁反向流动区域的大小随着台阶高度的增加而增加。
5. 结果与讨论
5.1横向速度分布速度沿X轴和Y轴的台阶高度方向展开，如图
5. 结果与讨论
5. 结果与讨论
5.2 静压
在这一部分中，不同台阶高度的阶梯和直壁静压的影响如图
5. 结果与讨论
5.3表面摩擦本节介绍了不同台阶高度对下游和直壁表面摩擦系数的影响如图：
5. 结果与讨论
5.4 努塞尔数
3.数值求解
利用有限体积法与相应的边界条件求解上述方程。用二阶差分方程求解对流项，SMILPE算法求解流场。在能量和动量方程扩散项由二阶中心差分近似得到。在 x方向上，网格被阶梯壁和再附着点附近用于确定梯度的变化利率。但在该点的下游用粗糙的网格划分，在Y 方向，网格是集中在顶部，底部的墙和直接在步确定数值模拟的精度和节省网格大小和计算时间。在模拟过程中考虑了网格系统的四边形和非均匀单元。每一个保守的变量的残余和计算和存储在每个迭代结束。
4.网格独立性研究与代码验证
网格独立测试使用几个网格密度和分布，以确保一个网格独立的解决方案。由网格测试，考虑ethylene-sio2作为工作流体流过一个落后面临雷诺兹数35步。解决方案进行了不同的网格数和密度，这是解释在表3。
4.网格独立性研究与代码验证
目前的数值解验证与几个以前的研究，如图2和3 所示。

微尺度流动特性

2
( 2) 是气
c 是热导系数, GV Ft
。
3
微型化引起的问题
研究微电子机械系统时常常涉及尺度效应。例如
L L
2
L
3
表面积与体积之比的增大、传热传质效率的提高等。下面通过实例具体说明微尺度的影响和效应及对微尺度理论的考虑。 3. 1 微型化并不是简单的几何缩小
Pd 0 L 2 具体推导请参考文献 [ 12] 。由此可知, 壁面传热量 H w 与气体总焓 G io 之比与特征长度无关, 说明尺寸缩小并不影响传给壁面的热量在流动总焓中的比例。
478
机
械
强
度
2001 年
[ 2]
强度也与特征长度无关 , 小型化对器件的强度不会带来问题。推力和冲量与长度有关, 即尺寸缩小使推力和冲量减少, 这正是点阵式微喷方案提出的理由, 即通过增加微喷的个数提高总体推力。问题出在壁面导热的特征时间 t h 将会缩短 , 因为高温向壁面非定常传导的特征时间与壁厚的平方成正比, 而工作时间和线性尺寸成正比。当线性尺度缩小 10 倍时 , 通过壁面导热所需的时间将要比工质流出燃烧室所需时间快很多, 这说明工作单元的高温将迅速传导至邻壁单元而自动点燃其燃烧室的燃料。如以硅为材料, 其装置密度大约可作到 1 至数个 mm , 而作到 100 个 mm 的期望是完全不现实的。此例子说明微型化会改变相关物理因素在过程中的重要性 , 使得原本次要的因素( 这里指壁面非定常传导) 变得重要起来, 甚至会影响全局。因此 , 小型化不是简单的几何缩小。 3. 2 尺度效应 3. 2. 1 表面积与体积之比的增大当流动的特征尺度由 cm~ m 量级减小到 m~ mm 量级, 表面积与体积之比由量级 10 mMEMS) 即采用集成微电子工艺、

微通道内水的单相流动与传热特性的实验

微通道内水的单相流动与传热特性的实验
黄蕾;徐玉梅
【期刊名称】《河南科技大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2009(30)4
【摘要】设计的微尺度流动与换热实验测试系统,主要研究水于小雷诺数下在微通道中受热单相流动的水力特性和传热特性.通过对相关的实验数据进行分析计算,表明水在微通道内流动时的压降值与阻力系数值均大于传统理论预测值,而传热特性的实验结果则与传统理论较为吻合.
【总页数】4页(P30-33)
【作者】黄蕾;徐玉梅
【作者单位】洛阳理工学院,土木工程系,河南,洛阳,471023;洛阳理工学院,土木工程系,河南,洛阳,471023
【正文语种】中文
【中图分类】TK124
【相关文献】
1.微通道内单相流流动特性的实验研究进展 [J], 郑慧凡;秦贵棉;范晓伟;李安桂;张文全
2.窄矩形通道内单相水阻力特性实验研究 [J], 谢清清;阎昌琪;曹夏昕;黄彦平;王广飞;刘晓钟
3.微通道内单相水流动与换热的特性研究 [J], 胡月莲
4.环形小通道内水单相换热特性的实验研究 [J], 姚干兵;蔡其行
5.矩形微通道热沉内单相稳态层流流体的流动与传热分析 [J], 王丽凤;邵宝东;程赫明;唐艳军
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第３１卷，总第１７８期２０１３年３月，第２期
《节能技术》
ＥＮＥＲＧＹＣＯＮＳＥＲＶＡＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖｏ１．３１，Ｓｕｍ．Ｎｏ．１７８Ｍａｒｃｈ．２０１３，Ｎｏ．２
微尺度流道相变传热特性的实验研究
质为ＣＯ，，质量流速为５００～３５７０ｋｇ／ｍＳ，热流密度
ＣＨＥＮＺｈｉ — ｊｉｎｇ
（ＧｕａｎｇｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍａｏｍｉｎｇ５２５０００，Ｃｈｉｎａ）
陈志静
（广东石油化工学院，广东茂名
５２５０００）
摘要：为了探究微流道相变传热的特性，本文以去离子水为工质，对不同结构尺寸的铝制矩
形流道中的相变传热特性进行了实验研究。结果表明：在本实验范围内，传热系数随流道尺寸减小而增大。传热系数随着热流密度的增加而增加。在同一热流密度下，随着干度的增大，传热系数变
化不大。
关键词：微尺度流道；去离子水；相变；热流密度；传热系数
中图分类号：ＴＫ１２４
文献标识码：Ａ
文章编号：１００２— ６３３９（２０１３）０２— ０１０４— ０４
ＴｈｅＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＳｔｕｄｙｆｏｒＰｈａｓｅＣｈａｎｇｅＨｅａｔＴｒａｎｓｆｅｒｉｎＭｉｃｒｏＣｈａｎｎｅｌｓ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｐｈａｓｅｃｈａｎｇｅｏｆｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｉｎｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌｓ，ｅｘｐｅｒｉ — ｍｅｎｔｓｏｎｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｏｆｔｗｏ— — ｐｈａｓｅａｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｌｕｍｉｎｕｍｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌｓｗｉｔｈｄｅｉｏｎｉｚｅｒｗａｔｅｒａｓｗｏｒｋｉｎｇｌｕｆｉｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｓｉｚｅｏｆｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌｈａｄａｇｒｅａｔｉｍｐａｃｔｏｎｔｈｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ．Ｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｗａｓｉｎｃｒｅａｓｉｎｇａｓｔｈｅｓｉｚｅｄｅ — ｃｒｅａｓｅｄ．Ｔｈｅｈｉｇｈｅｒｔｈｅｈｅａｔｌｕｆｘｗａｓ，ｔｈｅｈｉｇｈｅｒｔｈｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｗａｓ．ＤｒｙｎｅｓｓｈａｓｖｉｒｔｕａｌｌｙｎｏｅｆｆｅｃｔＯｉｌｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｉｃｉｅｎｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌ；ｄｅｉｏｎｉｚｅｒｗａｔｅｒ；ｐｈａｓｅｃｈａｎｇｅ；ｈｅａｔｌｕｆｘ；ｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ

０引言
微细通道在微机电系统、微电子、生物等有广泛
为０．７—４．８Ｗ／ｃｍ。实验发现，当表观液相Ｗｅｂ —
ｂｅｒ数小于１００时，传热系数受热流密度影响很大；
Ｗｅｂｂｅｒ数大于１００时，质量流量的影响十分显著。
ｘｕ ¨ 等对截面尺寸为０】．３×１２．７ｍｍ，长度为
应用，微机电系统的散热问题成为系统的关键问题，
从而使得微尺度流道传热问题越来越受到学者们的
关注Ｉ１引。Ｙｕｎ ¨ 等对内径为０．９８ｍｍ，长为１２００ｍｍ的单管进行了流动沸腾实验研究。实验工