摘要：换热器结构拓扑优化可将传热强化设计问题转化为数学优化问题进行求解,对于设计新颖高效换热器具有重要价值。然而,拓扑优化数学模型难以直接解释优化结果的几何特征及相应强化机理。以传热量为目标,对微通道换热器进行拓扑优化设计,研究了不同参数对换热器强化结构特征和换热器性能的影响。结果表明,拓扑优化换热器的通道结构呈现多级分叉构型,分叉的数量随着入口Reynolds数、翅片传热效率和流体Prandtl数的增大而增多。在此基础上,采用耗散和边界层理论分析了拓扑优化分叉通道与流体边界层厚度的内在联系,为换热器结构强化设计提供了新的思路。

摘要：反应器喷嘴的作用是维持水热火焰在复杂流场中保持稳定。建立内预热式蒸腾壁反应器(IPTWR)内甲醇超临界水热燃烧过程计算流体力学模型,分析了喷嘴的材料热物性和结构参数对进料混合特性及火焰结构的影响规律。结果表明,喷嘴材料传热特性的提高使水热火焰朝高温和广域的方向发展;氧气-辅热混合段直径由18 mm减小到14 mm,反应器轴向温度峰值由954.84 K升高到981.60 K,火焰位置向远端移动;随着喷嘴缩进深度减小,水热火焰逐渐向喷嘴出口聚拢,表现为火焰收缩现象。在此喷嘴结构参数范围内小直径的短氧气-辅热混合流道有助于水热火焰的温度升高和聚拢稳定。结果可为内预热式蒸腾壁反应器的喷嘴设计提供理论指导。

摘要：在电力系统中,滴状冷凝能够有效提升凝汽器传热性能,其中液滴动态行为与其传热过程息息相关,明确液滴动态行为对凝汽器的设计具有指导意义。本文利用PFA疏水涂层改性紫铜圆管,在空气中的接触角为142.6°能实现稳定的滴状冷凝。与竖壁冷凝中液滴脱落过程不同,水平管上液滴受到的重力分量与水平管周向角有关,造成液滴延水平管周向的脱落尺寸的差异,以此为基础将水平管表面进行分区,并提出“局部冲刷”和“完整冲刷”两种液滴冲刷模式;脱离液滴的位置和时序性差异形成下部较高的表面更新率,在液滴尺寸r<400μm的范围内,下部分的液滴数密度高于上部分;局部冲刷可限制下部分区域液滴尺寸,降低液滴覆盖面积。

摘要：液滴在固体壁面上快速铺展形成薄液膜现象广泛应用于微电子芯片散热、喷雾冷却、农药喷洒中,是薄液膜蒸发/冷凝、撞击铺展等过程的核心控制因素。基于毛细压力和黏性阻力之间的竞争关系,通过调控表面微结构的尺度提高毛细力和减少黏性力是实现薄液膜快速铺展的关键。本文为了克服毛细力和黏性阻力对于单一尺度的竞争关系导致的铺展速率的限制,引入了具有纳米线团簇和V形沟槽的复合分级纳米线结构,显著提高了液膜的毛细铺展速率,达6.54 mm·s^(-0.5),其中规则有序的纳米线团簇提供较大的毛细压力,而V形沟槽为流体输运提供了快速输运通道,显著减小了黏性阻力。在此基础上修正了毛细铺展动力学模型,在与实验结果吻合程度较好的前提下,进行了结构参数分析进一步明确了V形沟槽导致阻力的减小对于提高毛细铺展速率的重要作用。本研究通过引入分级纳米线结构,对于毛细铺展速率实现了有效调控,为设计和优化分级纳米线结构实现液膜快速铺展和强化蒸发传热提供策略。

摘要：管路结构设计与优化对提高工质输运效率具有重要意义。针对亚/超临界水氧化工艺中涉及的气液两相流动过程进行了三维非稳态数值模拟。结果表明,管路内温度沿流动方向逐渐降低,气含率逐渐升高;不同结构管路内压力分布呈显著差别。水平直管内压降随管径增大而降低,但当管径达到0.016 m时,压降变化不再显著;水平渐扩管内压降随渐扩段管路长度的增加先降低后升高,当渐扩管路长度为0.1 m时,工质输运效率最高;水平渐缩管内压降随渐缩段管路长度的增加先降低后升高再降低,表明通过对渐缩管路长度的合理选取可以实现快速降压的同时降低阻力损失。

摘要：薄液膜在微反应器、微接触器等微过程中都有着重要的应用,提升表面毛细性能是实现低流量下液膜铺展的有效方法。制备得到了一种具有内部互连通道的微纳复合表面,对于工质水表面抽吸系数高达16.11 mm×s^(-0.5)。对毛细抽吸过程进行了可视化观测,结果表明微纳复合表面内部互连的微米级间隙作为流体的输运通道,可以大幅降低流动阻力;并发现了表面微结构特征对毛细性能的影响规律。探究了不同蒸发状态和不同供液量对铺展比例的影响,发现微纳复合表面能够在较低流量下实现较高的铺展比例,在0.24 mL×min^(-1)的低供液速率下实现了7 cm^(2)表面的完全润湿。这对于设计高毛细抽吸性能表面和研究低流量下液膜流动铺展特性具有重要的意义。

摘要：制备了具有不同疏水区宽度和面积分率的疏水-亲水间隔规则排列的组合表面。观测常压蒸汽在组合表面上冷凝时疏水区液滴的特性(液滴移除方式和最大液滴半径),利用格子Boltzmann方法模拟组合表面上凝液的运动。考察疏水区、亲水区宽度和表面过冷度对组合表面强化蒸汽冷凝传热的影响。利用滴状-膜状组合传热模型分析组合表面蒸汽冷凝传热性能的影响因素,并与实验结果比较。发现疏水区液滴自发地向亲水区定向迁移,精细设计的组合表面可以实现蒸汽滴状冷凝传热的强化,实验中强化因子可达1.20。疏水区宽度约为0.55 mm时组合表面的传热性能最大。表面过冷度越大,组合表面强化传热的效果越差,模型分析与实验结果吻合良好。

摘要：基于数值模拟不同形状微通道内的混合特性,以此获得实验流道设计依据,并确定了截面1 mm?1 mm、长度为3000 mm的弯曲微通道反应器。以浓度为0.2 mol?L-1的Na2CO3和MgCl2溶液为原料在微反应器内制备三水碳酸镁晶体,以XRD和SEM为表征手段,考察物料流量和停留时间对晶体质量的影响。结果表明,物料流量过低或过高都会降低晶核表面积或反应液的过饱和度,进而影响晶体的生长。实验范围内物料流量为4 mL?min-1时产物结晶度高且晶型完整;随着物料在通道内停留时间的增长,产物质量会存在先降低后升高的趋势。在流量4mL?min-1、停留时间9 s条件下得到最佳晶体,晶胞畸变率小,晶棒尺寸分布较均匀(平均粒径为150μm),符合正态分布。

摘要：HFE-7100/水作为非共沸不互溶工质可以拓宽核状沸腾传热的有效温区,目前关于其在微纳复合表面的沸腾传热特性和气泡运动机理尚不明晰。利用气泡模板电沉积法在铜基表面上制备了具有微纳孔洞的复合结构,测试了HFE-7100/水的沸腾传热特性,并通过可视化探究了沸腾工质转换(BRT)过程中两相工质在表面的润湿状态和气泡运动现象。结果表明,微纳复合表面上HFE-7100/水的BRT过程中,气泡先后经历小气泡聚并、气膜膨胀、轻工质接触壁面核化三个过程。在BRT过程中,HFE-7100与水对热壁面的润湿性存在竞争关系,随着过热度增加,薄的HFE-7100液层难以维持稳定的重工质沸腾,上层水工质可以穿过HFE-7100层对热壁面实现完全润湿,完成BRT过程。与单一工质相比,常压下HFE-7100/水混合工质体系可以在343~423 K下实现高效的核状沸腾传热。该研究揭示了HFE-7100/水在微纳复合表面的沸腾传热特性,为沸腾强化表面设计提供了思路。

摘要：开发高效低阻换热器是提升系统能量转化效率的重要途径,对于船舶航运工业和海上石油平台等海洋工程以及石油钻井平台等领域具有重要的意义。受鲨鱼鳃裂结构启发,设计了一种适用于受限空间内的异形仿生换热器,大幅释放空间,并提高了换热器的集成性。通过在换热器壳程添加四种不同形式的折流板,并在进口端引入“间隙流”,模拟分析了换热器壳侧流场、压力场和温度场的分布规律,并对比了不同Reynolds数下换热器的性能差异。结果表明,阶梯式隔板换热器可达到低阻特性,流速为0.5 m/s时,壳程压降相比于弓形折流板换热器和交错类折流板换热器分别下降了约82%和65%;当Reynolds数在15000-35000之间(流速约为0.63-1.46 m/s)时,进口间隙交错折流板换热器的高效低阻特性优势明显,比弓形折流板换热器提升了约12%;当Reynolds数大于35000即流速高于1.46 m/s时,阶梯式隔板换热器的综合性能比弓形折流板换热器高出约5%,可适用于对壳程压降要求更高的应用环境。给出了不同工况下的换热器综合性能评价图,为实际应用和设计分析提供指导。