封闭管路内液体工质热声转换特性及强化传热机理研究

In the comprehensive analysis of development of international intensive heat transfer and thermoacoustic theory, and with the previous work researching on characteristics of intensive heat transfer by thermoacoustic with liquid working substance in annular tube, the mechanism of thermally generated compressive waves and heat transfer enhancement in liquid will been further researched. The proposal will provide a new exploration way , which can develope a self-drive heat transfer device for removing ultra high heat flux. The research topics including: achieve heat transfer enhancement by thermoacoustic with liquid working substance (water and R134a(1,1,1,2-tetrafluoroethane), respectively) in annular tube, and reveal the mechanism of thermally generated compressive waves and energy transfer with waves to enhance heat transfer in liquid working substance. The research will be based on the experimental measurement, and be supported by theoretical analysis and numerical simulation. The dynamic data of thermally generated compressive waves and energy transfer will be monitored by simultaneous sampling device for multiple channels with high sampling rate. Theoretical analytical models for nonlinear process of thermally generated compressive waves and energy transfer of thermoacoustic in liquid working substance will be developed. The mechanism of intensive heat transfer by thermoacoustic will be revealed through above exploration. The results are expected to be useful to the expansion and application of thermoacoustic theory in intensive heat transfer with liquid working substance, to provide theoretical support for developing heat transfer devices. This research has important significance to develop self-drive heat transfer device for removing ultra high heat flux.

拟研究内容在综合分析国内外高强度传热及热声理论发展情况和前期针对封闭管路液体工质热声效应实现高热流密度传热所做大量工作的基础上，拟进一步研究封闭管内液体工质热声转换特性及热声强化传热机理，为发展自驱动高强度传热器件提供新的探索途径。主要研究内容包括：在环形管内分别利用水和氟利昂R134a实现热声强化传热，揭示液体工质的热声转换特性及影响因素，液体热声的能量传递形式、特性及规律。研究计划建立在以实验研究为主导，理论分析和数值模拟为支撑的构架之上，在多通道同步高频数据采集平台上，监测环形管液体工质热声转换及热能传递的动态数据，结合理论针对液体工质建立非线性热压转换模型、液体热声能量传递模型，完成环形管内液体工质热声强化传热的机理探索。研究结果将有助于热声理论在液体工质强化传热方面的拓展和应用，为利用液体工质进行热声强化传热器件的设计研发提供理论支持，对发展自驱动高热流密度传热器件具有重要意义。

本项目针对封闭管路内液体工质热压转换特性及强化传热特性进行实验研究及理论建模分析，主要研究内容包括：实验研究发现在封闭回路中充满液体工质时，在一定条件下具有高强度传热能力，当对实验件加热时，热量转换成压力波，能量以压力波为载体进行高效快速传递，此种传热方式在多种结构上均可实现，其结构适应性强；选择不同液态工质，可实现传热器件在不同温度区域内工作，使用R134a、液态水及液态NaK时均可实现高效传热。实验上设计搭建了机理研究测试实验台，测试实验台可以实现多通道数据的高频同步采集。在实验台上，选用液态R134a为工质，对环形回路结构实验件内液态工质压力波动及传递特点、工质温度的变化规律、工质状态点等进行了详细分析，并研究了充液率、倾斜角度、加热功率等对实验件传热性能的影响规律。使用液态R134a工质时，实验测得的最大当量导热系数为 226kW/(m.K)。 . 理论研究方面，采用理论建模与数值计算的方法，研究了液体R134a、液态水和液态NaK合金在封闭体内的热压转换及能量传递特性，详细分析了工质初始温度压力情况、加热边界条件、流道结构、重力对压力波产生及能量传递的影响特性。结果表明：由于可压缩液体的物性特点，其热膨胀系数和可压缩系数小，但二者的比值大，热扩散率小，当给液体工质加热，在边界层产生较大的压力波动，即产生热压效应，以压力波作为载体可以实现能量的快速传递；对计算区域实加阶跃温度边界条件及阶跃热流边界条件时，计算区域内均有压力波产生；环形结构相对于方腔结构，在同样条件下可以产生更稳定的压力波，压力波波辐变化较缓；重力影响使得环形结构中的压力波的波长及波辐变大，有利于波的传递；相同结构时，与液态水工质相比，R134a的传热能力更强；液态NaK合金工质适用于高温热压转换传热器件上。. 根据该原理制作的传热器件，无需外加驱动力，即具有高强度传热能力，并且具有结构简单、易加工、成本低、稳定性好等特点，尤其适用于热量集中、热流密度大的传热场合。该项目研究成果对发展自驱动高强度传热件具有重要的指导意义。