论文部分内容阅读
随着高新技术兴起和发展，传统单一的细通道强化传热已逐渐无法满足实际需求，为进一步提高微尺度换热器散热效率，本文通过金属3D打印中直接金属激光烧结(Direct Metal LaserSintering)技术制造成型细通道，同时将微观凹腔、纳米流体以及声场作用应用到强化细通道流动沸腾传热，为航空航天等高科技领域设备高热流密度输运提供理论基础，因而本项目的研究具有重要科学意义与广阔应用前景。围绕这一目标，主要开展了以下研究工作：
(1)搭建细通道流动沸腾实验平台，通过金属3D打印技术中的直接金属激光烧结(Direct Metal Laser Sintering)技术制造成型细通道换热器，使用R141b为换热工质，对比研究了普通线切割细通道和DMLS加工成型的细通道换热性能，DMLS细通道换热传热性能最高提高32%；分析换热平面微观结构沸腾成核机理，基于Hsu关于微观凹腔能成为凹腔活化原理及活化条件，设计添加“V”型、倒“Ω”型、“圆柱”型微观凹腔结构到细通道换热底部，采用高速摄影仪进行可视化研究，研究发现微观凹腔处出现一连串的柱状汽泡，增加单位面积上的活化核心密度，是活化微观凹腔强化传热的最主要原因，有微观凹腔阵列的细通道换热器的传热系数比普通DMLS成型的细通道换热的换热系数最高提高2.62倍，但相应的压降也随之增加；研究了微观凹腔的设计参数对传热性能研究，研究发现微观凹腔数目、凹腔入口直径、凹腔形貌特征对传热性能都有显著影响，倒“Ω”型及“V”型活化微观凹腔微细通道换热器相比“圆柱”型微观凹腔微细通道换热器平均传热系数分别增加46.4%、46.2%。
(2)通过“两步法”制备了不同质量浓度的石墨烯/R141b制冷剂纳米流体，研究了影响石墨烯/R141b纳米制冷剂流体的稳定性因素，研究发现超声波振荡时间、分散剂以及颗粒质量浓度对其稳定性都有显著影响；重点研究了质量浓度0.01%-0.1%石墨烯/R141b纳米流体强化DMLS细通道流动沸腾传热及压降特性，研究发现石墨烯/R141b纳米制冷剂流体沸腾传热系数都要比纯制冷剂R141b的沸腾传热系数要大，传热系数提高比率随浓度增加出现非线性趋势，存在最佳浓度值，最佳质量浓度为0.025%，石墨烯/R141b纳米制冷剂流体的平均沸腾传热系数比纯制冷剂R141b的传热系数最高提高35.4%；通过熵值法得到颗粒质量浓度在传热和压降过程所占权重分别为0.509、0.491，基于综合评价打分法得出纳米流体在细通道中流动沸腾最佳纳米颗粒浓度为0.015%，即此时传热系数最佳，同时总压降最小；同时对比研究了常规纳米流体Al2O3/R141b与石墨烯/R141b强化DMLS细通道中流动沸腾传热性能，石墨烯/R141b比Al2O3/R141b的平均传热系数提高39.8%。
(3)基于叠加传热原理，将细通道内纳米流体沸腾传热分成颗粒对流传热部分及流动沸腾传热部分，结合现有的经验公式，提出细通道内纳米流体流动沸腾传热系数理论模型，研究发现纳米流体沸腾传热系数实验值与理论模型预测值的平均偏差值在5.83%-17.0%，说明理论预测模型能很好的预测纳米流体在细通道内流动沸腾传热性能。
(4)设计两种声场施加方式：通道入口外部施加声场、沸腾区局部施加声场，研究声场对强化DMLS细通道流动沸腾传热影响，研究发现超声振动棒被安置在细通道流场入口外部，换沸腾区域受声场的作用力不明显，传热系数分别提高6.89%、6.39%，通过高速摄影发现其主要作用体现在声场空化作用，使换热工质在入口前产生微细汽泡；沸腾区局部施加声场，有声场作用下平均传热系数提高25.5%，在低热流密度区间强化传热效果明显，中、高热流密度区域强化效果减弱。探讨了石墨烯/R141b在有声场作用下的传热性能，研究发现平均传热系数提高32.0%，声场作用能活跃石墨烯/R141b纳米流体中纳米颗粒，有效缓解石墨烯/R141b纳米流体在流体沸腾过程沉积在通道表面，延缓恶化传热性能的“拐点”到来。
(1)搭建细通道流动沸腾实验平台，通过金属3D打印技术中的直接金属激光烧结(Direct Metal Laser Sintering)技术制造成型细通道换热器，使用R141b为换热工质，对比研究了普通线切割细通道和DMLS加工成型的细通道换热性能，DMLS细通道换热传热性能最高提高32%；分析换热平面微观结构沸腾成核机理，基于Hsu关于微观凹腔能成为凹腔活化原理及活化条件，设计添加“V”型、倒“Ω”型、“圆柱”型微观凹腔结构到细通道换热底部，采用高速摄影仪进行可视化研究，研究发现微观凹腔处出现一连串的柱状汽泡，增加单位面积上的活化核心密度，是活化微观凹腔强化传热的最主要原因，有微观凹腔阵列的细通道换热器的传热系数比普通DMLS成型的细通道换热的换热系数最高提高2.62倍，但相应的压降也随之增加；研究了微观凹腔的设计参数对传热性能研究，研究发现微观凹腔数目、凹腔入口直径、凹腔形貌特征对传热性能都有显著影响，倒“Ω”型及“V”型活化微观凹腔微细通道换热器相比“圆柱”型微观凹腔微细通道换热器平均传热系数分别增加46.4%、46.2%。
(2)通过“两步法”制备了不同质量浓度的石墨烯/R141b制冷剂纳米流体，研究了影响石墨烯/R141b纳米制冷剂流体的稳定性因素，研究发现超声波振荡时间、分散剂以及颗粒质量浓度对其稳定性都有显著影响；重点研究了质量浓度0.01%-0.1%石墨烯/R141b纳米流体强化DMLS细通道流动沸腾传热及压降特性，研究发现石墨烯/R141b纳米制冷剂流体沸腾传热系数都要比纯制冷剂R141b的沸腾传热系数要大，传热系数提高比率随浓度增加出现非线性趋势，存在最佳浓度值，最佳质量浓度为0.025%，石墨烯/R141b纳米制冷剂流体的平均沸腾传热系数比纯制冷剂R141b的传热系数最高提高35.4%；通过熵值法得到颗粒质量浓度在传热和压降过程所占权重分别为0.509、0.491，基于综合评价打分法得出纳米流体在细通道中流动沸腾最佳纳米颗粒浓度为0.015%，即此时传热系数最佳，同时总压降最小；同时对比研究了常规纳米流体Al2O3/R141b与石墨烯/R141b强化DMLS细通道中流动沸腾传热性能，石墨烯/R141b比Al2O3/R141b的平均传热系数提高39.8%。
(3)基于叠加传热原理，将细通道内纳米流体沸腾传热分成颗粒对流传热部分及流动沸腾传热部分，结合现有的经验公式，提出细通道内纳米流体流动沸腾传热系数理论模型，研究发现纳米流体沸腾传热系数实验值与理论模型预测值的平均偏差值在5.83%-17.0%，说明理论预测模型能很好的预测纳米流体在细通道内流动沸腾传热性能。
(4)设计两种声场施加方式：通道入口外部施加声场、沸腾区局部施加声场，研究声场对强化DMLS细通道流动沸腾传热影响，研究发现超声振动棒被安置在细通道流场入口外部，换沸腾区域受声场的作用力不明显，传热系数分别提高6.89%、6.39%，通过高速摄影发现其主要作用体现在声场空化作用，使换热工质在入口前产生微细汽泡；沸腾区局部施加声场，有声场作用下平均传热系数提高25.5%，在低热流密度区间强化传热效果明显，中、高热流密度区域强化效果减弱。探讨了石墨烯/R141b在有声场作用下的传热性能，研究发现平均传热系数提高32.0%，声场作用能活跃石墨烯/R141b纳米流体中纳米颗粒，有效缓解石墨烯/R141b纳米流体在流体沸腾过程沉积在通道表面，延缓恶化传热性能的“拐点”到来。