微尺度非牛顿流体换热强化机理研究

This program is mainly concentrated on investigating the heat transfer enhancement effect and the micro mechanism of Non-Newtonian viscoelastic fluid flow at microscale. First of all, the microscaled flow and heat transfer setup is accomplished, and the micro particle image velocimetry is utilized to get the delicate flow field information of elastic turbulence under varied flow conditions with different thermo-physical properties and flow geometries. Meanwhile, the results of pressure drop and temperature field variations are obtained as well. Thus the promotion effect of elastic turbulence on passive scalar and active temperature scalar evolution can be analyzed, and the influence of flow parameters on heat transfer parameters can be clarified. Secondly, by introducing the energy equation and coupling the temperature field and velocity field, the direct numerical simulation of heat transfer process with elastic turbulence is realized. The focus is on analyzing the relationship between micro structures of viscoelastic fluid and deformation of flow field, and also the evolution of flow transformation and thermal field. Finally, based on the experiments and numerical simulations, the flow parameters and the fluctuations of temperature and heat flux can be further studied. Then the proper orthogonal decomposition and nonlinear dynamic methods are employed to investigate the deterministic structures of flow and thermal fields, and hereby the heat transfer enhancement mechanism of elastic turbulence at microscale can be revealed. The research of this program will provide the significant guidance for developing the novel microscaled heat transfer techniques, and establish the fundamental for seeking the efficient working fluids for heat removal in micro-power devices and micro-electronic chips.

本项目旨在研究微尺度条件下使用非牛顿粘弹性流体获得的传热强化效果及其微观机理。首先，完善微尺度流动及传热实验系统，利用微粒子成像测速仪获得不同流动条件下（不同热物性流体和不同结构微通道）弹性湍流的精细化流场信息，同时获得压力降和温度场的变化过程，分析弹性湍流对被动标量和主动温度标量演化的促进效果及流动参数对换热参数的影响。其次，引入能量方程，耦合温度场和速度场，实现粘弹性流体在弹性湍流条件下传热过程的直接数值模拟，分析粘弹性流体的微观结构和流场变形之间的关系以及流场变形和温度场的演化过程。最后，综合实验测量和直接数值模拟结果，研究流动参数变化和温度、热流脉动，使用本征正交分解和非线性动力学方法研究流动及温度场的确定性结构，揭示微尺度下弹性湍流的传热强化机理。本项目的研究结果将为新型的微尺度换热技术开发提供重要指导，并为寻求适合微能源动力装置及微电子芯片等散热的高效工质奠定基础。

本项目旨在研究微尺度条件下使用非牛顿粘弹性流体获得的传热强化效果及其微观机理。. 根据非牛顿流体所具有的几方面独特性质，本研究提出了利用粘弹性流体作为微尺度通道内传热工质的创新性思想，具体研究内容包括4个方面：（1）实验和数值模拟研究不同流动工况下流动的混沌流动特性；（2）实验研究微通道内传热能力；（3）实验研究改变流体性质对沸腾传热的强化能力；（4）数值模拟微通道内和歧管式换热其中非牛顿流体的换热特性，从微观方面研究非牛顿流体对传热效果增强机理。. 在微尺度流动的测量方面，进行了牛顿流体和粘弹性流体在弯曲微通道内部的流动实验，采用共聚焦micro-PIV技术、数字全息显微镜测量（DHM）技术和偏振光测量技术来获得微通道内速度场以及速度相关的统计量，同时进行了瞬时速度分布、平均速度场、速度脉动、统计特性及速度脉动能谱衰减等分析。结果表明，粘弹性流体诱发了弹性不稳定流动，在流动中的非线性要强于牛顿流体的Dean二次流，在微通道拐点部位的三维流动中出现了两股交叉扭转的高速流动。. 在微尺度对流传热和沸腾传热方面，主要进行了弯曲微通道内的粘弹性流体对流换热测量以及微丝过热的表面活性剂溶液池内沸腾测量。在底面加热的弯曲微通道粘弹性流体对流换热中，最高的传热强化程度可达426 %。另外，表面活性剂溶液在微丝表面的池内沸腾中表现出了很强的传热强化效果，热流密度提升，传热系数增强，CHF进一步提高，并且发现了独特的气泡射流和气泡爆炸现象。. 在数值模拟方面，使用幂律流体在弯曲微通道和歧管式换热器中进行了传热模拟，结果表明伪塑性的流体不仅可以强化传热，还可以保持较低的流动阻力。同时，对于底面加热的流动工况，加热面温度场分布更加均匀。. 基于本项目中复杂流体的引入对微尺度传热传质强化效果，寻求微能源动力装置及微电子芯片散热的新型工质，将具有重要的学术和应用价值。