沸騰傳熱
關注創(chuàng)建者：瀟湘夜雨_5816 創(chuàng)建時間：2016-12-28
沸騰傳熱的實例教程
本案例來源于Fluent官方教程，基于Mixture多相流模型及Evaporation-Condensation模型模擬沸騰中的傳熱傳質過程。
物理模型
2D方形容器，底部為壓力出口邊界，底部為200℃恒溫邊界，四周為絕熱邊界，容器內水的溫度為99℃。
來源 |
Nature Communications，傳熱傳質青委會
原文 | https://doi.org/10.1038/s41467-023-39289-5
01
背景介紹
微通道流動沸騰傳熱是一種較為理想的氣液兩相散熱技術，具有散熱效率高、均溫性好等獨特優(yōu)勢，在100W/cm2以上量級高熱流密度功耗元器件冷卻散熱領域具有廣闊的應用前景。但是，微通道流動沸騰在實際應用中長期存在著兩相逆流不穩(wěn)定性和流型混沌無序等瓶頸問題，嚴重影響其散熱能力和工作穩(wěn)定性。因此，如何抑制兩相逆流不穩(wěn)定性、形成定向有序的高效傳熱流型，已成為微通道流動沸騰傳熱強化的前沿熱點問題。
02
成果掠影
東南大學陳永平教授、李文明教授與香港理工王鉆開教授研究團隊受到“流體二極管”—特斯拉閥的啟發(fā)，原創(chuàng)性地開發(fā)了一種新型微通道流動沸騰散熱熱沉。該熱沉通道采用周期性特斯拉閥結構流道充分抑制氣液兩相逆流，同時配合側壁毛細微柵欄結構誘導形成穩(wěn)定持久的側壁面薄液膜，實現了氣液兩相工質的定向有序流動和穩(wěn)定高效的薄液膜蒸發(fā)傳熱，顯著提升了微通道流動沸騰的穩(wěn)定性和傳熱性能。相較傳統光滑平直微通道熱沉，該型熱沉在總流量為0.36kg/h條件下的流動沸騰換熱系數和散熱熱流密度分別提高了6倍和5倍，可達175 kW/cm2K和830 W/cm2。同時，研究還探明了該型熱沉換熱性能的躍升現象，并發(fā)現通道出口蒸汽干度0.25是其沸騰換熱性能躍升的閾值。這項工作為開發(fā)更為高效穩(wěn)定的微通道氣液兩相散熱冷卻技術提供了嶄新思路。
展開 來源 | Advanced Materials
01
背景介紹
通過設計微/納米結構和調控表面潤濕性來提高沸騰傳熱一直是人們普遍關注的話題，因為它在各種工業(yè)領域有著巨大的需求。通過利用工作流體（如氟化電子液體）沸騰的液體-蒸汽潛熱交換實現的相變冷卻，有利于將來大量技術或應用中的高功率密度電子設備的熱管理，在包括5G、云計算、大數據、區(qū)塊鏈、人工智能等領域具有巨大的潛力。然而，沸騰傳熱作為一種動態(tài)的界面現象，對其包括液體再濕潤和蒸汽離開等過程和機制的深入理解仍然具有挑戰(zhàn)性。
02
成果掠影
中國科學院理化技術研究所江雷院士、田野副研究員等人設計了一種含有周期性微槽/金字塔陣列的微/納米結構銅表面，其上有機冷卻劑的超擴散行為（<134.1 ms）極大地促進了液體再濕潤過程，從而產生特化的、超快的射流沸騰現象，同時使臨界熱通量和傳熱系數分別提高了80%和608%。對噴射流沸騰微氣泡的成核、生長和分離行為的原位觀察表明，帶有納米皺紋的微型溝槽/金字塔通過超擴散誘導的超快液體再濕潤和持續(xù)蒸汽膜凝聚促進了潛熱交換過程。最后通過對超擴散微/納米結構的優(yōu)化，以超低電力使用效率（PUE<1.04）實現了高性能相變冷卻在超級計算機中心CPU芯片熱管理中的應用。該研究以題為“Liquid Super-Spreading Boosted High-Performance Jet-Flow Boiling for Enhancement of Phase-Change Cooling”的論文發(fā)表在《Advanced Materials》上。
展開 三維管內沸騰仿真分析-關鍵設置 ￥4.99
利用Fluent軟件可仿真分析如下圖所示的管內沸騰傳熱仿真分析。
設置關鍵點如下：
1，首先是網格，網格一定要足夠密，否則就無法精確的捕捉氣相的生成，氣液相交界面就會不光滑，仿真效果會很差，我這里采用的網格最小尺寸為0.001m，也就是1mm，當然為了更精確，網格尺寸還可以更小，并采用細長網格，斷面采用0.001m，長度方向0.01m。
R1234yf的沸騰傳熱性能略優(yōu)于R134a,且冷凝過程壓降比R134a低5%～10%,優(yōu)于R134a系統。 在諸多R1234yf和R134a系統的仿真和實驗研究中,R1234yf熱泵性能略低于R134a,但可以通過優(yōu)化零部件、強化補氣、改善工況等方式使其與R134a十分接近甚至超越。 R1234yf低壓飽和壓力比R134a高約15%,可以適配更高的壓縮機轉速,低溫下制熱性能比R134a更好,且較低的壓縮機排氣溫度使系統工作更為穩(wěn)定,強化補氣的效果也優(yōu)于R134a。
R1234yf的應用領域
R1234yf可以應用于冰箱制冷劑、滅火劑、傳熱介質、推進劑、發(fā)泡劑、起泡劑、氣體介質、滅菌劑載體、聚合物單體、移走顆粒流體、載氣流體、研磨拋光劑、替換干燥劑、電循環(huán)工作流體等領域。
R1234yf制冷劑的研究始于2007年，2010年得出的結論是該制冷劑作為新型制冷劑可以在汽車中安全使用。R1234yf被認為是汽車空調可選擇的替代制冷劑，并滿足環(huán)保和客戶的雙重要求。 并由美國杜邦與霍尼韋公司生產投放市場
歐洲出臺過一項法規(guī)，要求從當年年初開始所有在歐洲范圍內生產、銷售的新車必須采用新型環(huán)保的R1234yf作為汽車空調制冷劑，來取代原先使用的制冷劑R134a（制冷劑在密封的空調系統中循環(huán)流動，制冷劑的好壞對于整個系統而言非常重要），原因在于R1234yf的全球變暖潛能值僅僅為4GWP，而老一代制冷劑R134a高達1300GWP，相較而言，新型制冷劑基本對全球變暖沒有什么影響。
自2017年1月1日起，在歐洲境內生產和銷售的所有新車，禁止使用GWP＞150的制冷劑。可以看出廣泛作為汽車空調制冷劑的R134a(GWP=1300)的逐步淘汰將成為必然趨勢。
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VOF + 能量方程（β）：支持溫度相關物性，沸騰、傳熱等復雜問題；傳熱與輻射：殼體導熱、滑移網格下 S2S 輻射、環(huán)境輻射模型等
3. 工程實用性與建模穩(wěn)定性改進。新的 LES 壁面函數、k-ω SST / GEKO 近壁處理，對網格要求更友好
4. 自動化、Web UI 與 PyFluent 生態(tài)持續(xù)強化。
大容量磷酸鐵鋰電池的熱失控行為呈現三維傳播特性，熱失控期間其內部電解液沸騰使得傳熱行為復雜，制約了高安全電池設計。本文通過模型量化呈現了電解液吸熱相變后的傳熱傳質過程，通過實驗獲得了模型所需輸入，例如電池熱失控產熱量、產氣量、內部壓力、電解液相變吸熱參數、熱失控噴發(fā)質量流量及等。在模型與實驗結果對比中，電池正表面溫度的決定系數R2為0.9258，背表面溫度決定系數R2為0.9046。
此外，團隊還研究了該型熱沉在正向流動下的流動沸騰傳熱性能，探明了該型熱沉換熱性能的躍升現象，并發(fā)現通道出口蒸汽干度0.25是其沸騰換熱性能躍升的閾值（圖3d所示）。當新型熱沉為“關閉”狀態(tài)（χ＜0.25）時，壓降和壁溫在短時間內出現周期性波動，這是由于持續(xù)的蒸汽回流阻礙了液體進入，導致壓降和壁面溫度的波動幅值增大。
然而，沸騰傳熱作為一種動態(tài)的界面現象，對其包括液體再濕潤和蒸汽離開等過程和機制的深入理解仍然具有挑戰(zhàn)性。
兩相系統實驗柜主要是支持開展空間蒸發(fā)與冷凝相變、沸騰傳熱、兩相流動與回路系統、空間流體控制等關鍵科學問題與技術應用研究。
流體物理實驗柜主要是支持開展空間微重力環(huán)境中流體的宏觀、微觀運動，擴散過程的基本規(guī)律研究，超越了“國際空間站”3個已有的專用流體實驗柜形成的綜合測試手段和能力，將成為國際上技術最完備、設備最先進的空間流體物理實驗平臺。
本案例來源于Fluent官方教程，基于Mixture多相流模型及Evaporation-Condensation模型模擬沸騰中的傳熱傳質過程。
R1234yf的沸騰傳熱性能略優(yōu)于R134a,且冷凝過程壓降比R134a低5%～10%,優(yōu)于R134a系統。 在諸多R1234yf和R134a系統的仿真和實驗研究中,R1234yf熱泵性能略低于R134a,但可以通過優(yōu)化零部件、強化補氣、改善工況等方式使其與R134a十分接近甚至超越。
2.4 高通量換熱管
高通量換熱管是在換熱管外側加工成縱向翅片，內壁或外側燒結1層特殊覆層，可使傳熱表面積大為增加，并提供大量汽化核心，強化管內或管外泡核沸騰傳熱，傳熱效率大約是普通換熱管（光表2 不同塔盤技術的二甲苯塔對比方案1方案2塔盤型式四溢流浮閥塔盤多降液管式塔器規(guī)格/mmΦ9600/Φ11200×107170(T/T)Φ9000/Φ9700×95190(T/T)塔盤層數155155
利用Fluent軟件可仿真分析如下圖所示的管內沸騰傳熱仿真分析。
設置關鍵點如下：
1，首先是網格，網格一定要足夠密，否則就無法精確的捕捉氣相的生成，氣液相交界面就會不光滑，仿真效果會很差，我這里采用的網格最小尺寸為0.001m，也就是1mm，當然為了更精確，網格尺寸還可以更小，并采用細長網格，斷面采用0.001m，長度方向0.01m。
