热混合在t形micromixers多孔块的晶格玻尔兹曼方法:混合通道配置的影响gydF4y2Ba

1介绍gydF4y2Ba

许多机电系统已经逐步缩小,小卷和热管理越来越具有挑战性。随着设备变得小,热通量通常会上涨。所以,作为一个实际的冷却方法是必要防止热点的形成。微流体热交换器是最有前途的电子设备冷却设备(gydF4y2Ba曹et al ., 2010gydF4y2Ba;gydF4y2Baet al .,。m.t。2011gydF4y2Ba;gydF4y2Baμet al ., 2015gydF4y2Ba)。多个有趣的微通道配置提出了在过去的几十年里,和许多研究过程中更好地理解对于微流体流动特征(gydF4y2Ba西迪基祖拜尔,2017gydF4y2Ba;gydF4y2BaNarendran et al ., 2018gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

混合在不同的进程中起着至关重要的作用,尤其是在微流体系统(gydF4y2Ba迈尔斯et al ., 1997gydF4y2Ba;gydF4y2Ba弗莱彻et al ., 2004gydF4y2Ba;gydF4y2BaWasewar Sarathi, 2008gydF4y2Ba)。最简单的micromixer是t型的两个流混合在一个简单的直接通道。一些T - micromixers,静态混合器,有一些优势动态混合器:一个简短的停留时间和更低的维护成本。尽管大量研究来提高micromixers的性能,详细的热混合T-micromixer尚未检查更强烈。大多数以前的研究集中在大规模的应用热混合或流动态而忽略考虑传热micromixers (gydF4y2BaGobby et al ., 2001gydF4y2Ba;gydF4y2Ba黄et al ., 2004gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

Evrim和Laurien (gydF4y2BaEvrim Laurien, 2021gydF4y2Ba)考虑热混合在一个丁字形的通道在水平和垂直位置。他们的数值模拟已经使用商业CFD代码,完成有限元分析软件ICEM。他们评估的影响提出了信道上的冷流体有不同的形状。他们的研究结果表明,热混合增强当通道被放置在一个垂直的位置,因为不稳定的热分层现象。冯et al。(gydF4y2Ba冯et al ., 2019gydF4y2Ba)研究了数值的热混合特征冷凝过程使用一个两阶段模型中可用的商业CFD代码,STARCCM +。结果表明,冷却剂冷凝率密切相关热力学主要和分支管道之间的比例(冷热流)。实证关系也提供计算冷凝率。gydF4y2Ba苏et al。(2020)gydF4y2Ba评估数值使用ANSYS流利的17.1 t型通道的热混合流脉动的存在。各种温度差异两个入口流(冷热)进行了分析。回流发生在该频道因为惯性,但它可以减少通过提高入口流之间的温差,导致更稳定的热分层现象。gydF4y2BaDouroum et al。(2021)gydF4y2Ba研究热混合数值在micromixers各种几何图形,包括TLCCM类型(两层交叉渠道Micromixer),笔,OH-shape, OX-shape。navier - stokes方程数值求解使用ANSYS流利。值得一提的是,在所有的几何图形,等效长度和水力直径保持不变。雷诺数范围内研究了Re = (-70 - 0.2)。在评估micromixer的几何图形,TLCCM类型展示最佳的热混合性能(99% Re = 20)混合能量最低的成本与其它模型相比。gydF4y2Ba

壮族和Ferng (2017)gydF4y2Ba执行测试来评估t型通道的湍流热混合过程对各种质量流率(冷热流)和入口的方向。他们定义了速度比VgydF4y2Ba_rgydF4y2Ba= VgydF4y2Ba_bgydF4y2Ba/ VgydF4y2Ba_米gydF4y2Ba(VgydF4y2Ba_bgydF4y2Ba和VgydF4y2Ba_米gydF4y2Ba在树枝和主要管速度,分别)。热混合被发现显著依赖这个参数,VgydF4y2Ba_rgydF4y2Ba。他们第二个无量纲参数,定义动量比MgydF4y2Ba_RgydF4y2Ba= MgydF4y2Ba_米gydF4y2Ba/ MgydF4y2Ba_bgydF4y2Ba(MgydF4y2Ba_米gydF4y2Ba和MgydF4y2Ba_bgydF4y2Ba总管的势头,分支机构,分别)来识别可能的回流通道。为米gydF4y2Ba_RgydF4y2Ba< 0.05,回流的概率增加。周et al。(gydF4y2Ba周et al ., 2018gydF4y2Ba;gydF4y2Ba周et al ., 2019 agydF4y2Ba)考虑流体和热混合在一个丁字形的通道。不同进气温度的测试执行的主要管道(包括240、200和160°C),但在冷流进气温度(支管)保持不变在20°C。提高冷热流之间的温差和主要流(分支)导致了更稳定的热混流的分类。同时它可以得出结论,热疲劳在很大程度上依赖于高温波动可能产生的不稳定的分层混合流。在另一个工作,gydF4y2Ba周et al。(2019 b)gydF4y2Ba进行补充实验和数值略有不同几何测试:进入一个分支的冷流变量角的主要通道。它产生切向振动的热分层现象,降低了整体热疲劳的主要管道。Selvam et al。(gydF4y2BaSelvam et al ., 2017gydF4y2Ba)研究了热混合在一个丁字形的通道两个温差,∆T = 65和143°C,实验和数值。观察一个温和的混合分层流的温度差异。ΔT = 143°C生产最稳定分层由于浮力的影响。gydF4y2Ba

使用多孔区是一种有效的被动方法在各种工业应用,包括石油加工、热交换器(微孔和直接接触),干燥过程中,太阳能收集器,等等。然而,很少有人注意到热混合在复杂系统像一个丁字形的micromixer涉及多孔区域(gydF4y2BaBaragh et al ., 2018gydF4y2Ba;gydF4y2BaBaragh et al ., 2019gydF4y2Ba;gydF4y2BaTeggar et al ., 2021gydF4y2Ba;gydF4y2Ba穆萨维Ajarostaghi et al ., 2022gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

在这项工作中,T-micromixer多孔块位于结的两个流被认为是和热搅拌和冷却过程被加快了。多孔介质的属性,包括它的孔隙度、位置、长宽比和有效热导率保持不变。本文的目的是探讨影响混合通道配置的热混合使用验证加快解算器和冷却过程。两种不同类型的混合通道配置,包括分段的和zigzag-shaped,被认为是,结果是比简单的混合渠道。gydF4y2Ba

2问题描述gydF4y2Ba

T-micromixer的示意图所示gydF4y2Ba图1gydF4y2Ba与它的主要维度。两个流相同的流体(运动粘度ν),但在不同温度对微通道的两个入口:TgydF4y2Ba_1gydF4y2Ba= 50°C, TgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba与u = 25°CgydF4y2Ba_1gydF4y2Ba= ugydF4y2Ba_2gydF4y2Ba。四个入口雷诺数的Re = u值gydF4y2Ba_1gydF4y2BaH /ν是在下面几节中,即Re = 25、50、75和100年,H = 20µm是所有通道的宽度。壁温度的两个分支,形成一个角度gydF4y2BaαgydF4y2Ba与水平方向= 90°,T是固定的gydF4y2Ba_1gydF4y2Ba和TgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba,分别。热混合后的两个混相流、混流冷却的混合渠道,执行的墙壁是在恒定的温度(T)gydF4y2Ba_0gydF4y2Ba= 0°C。因此,热搅拌和冷却过程是在目前的情况下调查。w = 20µm多孔块高度和长度L = 20µm插入混合的入口通道。它的中心的坐标是y = H / 2(固定)和x = H(变量)。流出条件(∂u /∂x =∂v /∂x = 0)施加在混合通道的出口。两个几何图形的混合通道被认为是,即zigzag-shaped和分段的混合通道,相对于基本情况的一个简单的直接通道。gydF4y2Ba

3晶格玻尔兹曼方法gydF4y2Ba

流体流动和传热是解决笛卡尔网格上用晶格玻尔兹曼方法使用Bhatnagar-Gross-Krook (BGK)算子和DgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba问gydF4y2Ba_9gydF4y2Ba计划。碰撞和流媒体执行步骤的加快,和经典的归一化采用网格间距和时间步长设置为∆x =∆y = 1和∆t = 1,分别。gydF4y2Ba

3.1控制方程gydF4y2Ba

根据动力学理论,加快使用单粒子密度分布来模拟流体流动。晶格玻尔兹曼方程与外力写道(gydF4y2BaBalootaki et al ., 2018gydF4y2Ba;gydF4y2BaToghaniyan et al ., 2018gydF4y2Ba;gydF4y2BaAfrouzi et al ., 2019gydF4y2Ba):gydF4y2Ba

离散的均衡函数是:gydF4y2Ba

τ是单一的弛豫时间弛豫时间BGK模型,相关的运动粘度ν是哪一个gydF4y2Ba $\mathit{vgydF4y2Ba}{\text{= cgydF4y2Ba}}_{\text{年代gydF4y2Ba}}^{\text{2gydF4y2Ba}}(gydF4y2Ba\mathrm{\tau gydF4y2Ba}-gydF4y2Ba\mathrm{0.5gydF4y2Ba}\mathrm{\Delta gydF4y2Ba}\mathrm{tgydF4y2Ba})gydF4y2Ba$ ,gydF4y2Ba ${\mathrm{cgydF4y2Ba}}_{\mathrm{年代gydF4y2Ba}}=gydF4y2Ba\mathrm{1gydF4y2Ba}/gydF4y2Ba\sqrt{\mathrm{3gydF4y2Ba}}$ 声音的速度。gydF4y2Ba ${\stackrel{\to gydF4y2Ba}{\mathrm{cgydF4y2Ba}}}_{\mathrm{kgydF4y2Ba}}$ 是离散速度矢量的集合中定义(gydF4y2BaToghaniyan et al ., 2018gydF4y2Ba)和ωgydF4y2Ba_kgydF4y2Ba体重系数(ωgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba= 4/9,ωgydF4y2Ba_{1−4gydF4y2Ba}= 1/9,ωgydF4y2Ba_{5−8gydF4y2Ba}D = 1/36)gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba问gydF4y2Ba_9gydF4y2Ba晶格。gydF4y2Ba

除了水动力场的分布函数gydF4y2BafgydF4y2Ba,温度场的分布函数gydF4y2BaggydF4y2Ba是用于建模的热过程。的gydF4y2BaggydF4y2Ba是由分布函数gydF4y2Ba方程式3gydF4y2Ba,gydF4y2Ba4gydF4y2Ba提出(gydF4y2BaBalootaki et al ., 2018gydF4y2Ba;gydF4y2BaToghaniyan et al ., 2018gydF4y2Ba;gydF4y2BaAfrouzi et al ., 2019gydF4y2Ba):gydF4y2Ba

在τgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba是一个热弛豫时间和:gydF4y2Ba

密度、速度和温度可以得到:gydF4y2Ba

Brinkman-Forchheimer方程是用来模拟多孔介质层流流动。它写(gydF4y2BaJourabian et al ., 2018gydF4y2Ba;gydF4y2Ba齐米Moghadam et al ., 2020gydF4y2Ba):gydF4y2Ba

G是重力加速度和υ在哪里gydF4y2Ba_effgydF4y2Ba是有效的粘度。在gydF4y2Ba情商。gydF4y2Ba,提出了术语在右边括号是身体力量(F)。这个词是通过利用水系的关系。gydF4y2Ba

多孔介质的相应的分布函数是一样的gydF4y2Ba方程式1gydF4y2Ba,gydF4y2Ba2gydF4y2Ba。然而,平衡分布函数和强迫项写(gydF4y2BaBalootaki et al ., 2018gydF4y2Ba;gydF4y2BaJourabian et al ., 2018gydF4y2Ba;gydF4y2BaNemati et al ., 2018gydF4y2Ba):gydF4y2Ba

有效导热系数是评价通过(gydF4y2BaBalootaki et al ., 2018gydF4y2Ba;gydF4y2BaJourabian et al ., 2018gydF4y2Ba;gydF4y2BaNemati et al ., 2018gydF4y2Ba):gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2Ba

和有效热导率比(名为电导率比以下为了简洁)的定义是:gydF4y2Ba

与kgydF4y2Ba_{年代gydF4y2Ba}在多孔介质固体的导电率。孔隙度和有效热导率一直保持在本研究和固定常数gydF4y2BaεgydF4y2Ba= 0.7,gydF4y2BaσgydF4y2Ba分别为= 0.0001。gydF4y2Ba

平均努塞尔数和转移传热系数,计算如下(gydF4y2Ba郭赵,2002gydF4y2Ba;gydF4y2Ba齐米Moghadam et al ., 2020gydF4y2Ba;gydF4y2Ba齐米Moghadam et al ., 2021gydF4y2Ba):gydF4y2Ba

3.2边界条件gydF4y2Ba

域离散在一个统一的笛卡尔网格在两个方向上。每个细胞拥有固定数量的分布函数,代表这些离散的流体粒子移动的方向。gydF4y2Ba

对于流场,坚实的墙壁是假定为无滑动,因此反弹方案适用于计算域的所有墙壁除了在入口和出口处标。例如,流场,下列条件用于混合的北部和南部边界通道,分别为:gydF4y2Ba

其中n表示边界上的网格。常数入口速度是考虑拟议中的micromixer的入口速度的大小是根据雷诺数计算。出口流出条件被认为是。与指定的边界温度,T = TgydF4y2Ba_在gydF4y2Ba未知分布函数:gydF4y2Ba

4结果与讨论gydF4y2Ba

在这项研究中,2 d热加快来评估数值热搅拌和冷却过程在T-micromixer多孔块。混合通道配置的影响对热搅拌和冷却过程进行数值模拟。两种不同配置的混合渠道,包括分段的和zigzag-shaped通道,被认为是各种h / h比率(见gydF4y2Ba图1gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

4.1验证分析gydF4y2Ba

验证当前热加快解决作为一个有效的数值方法,流体与多孔通道区建模为两个不同的配置,即实现与多孔介质通道,被郭和赵(视为分析gydF4y2Ba郭赵,2002gydF4y2Ba)和部分填充多孔介质通道,被Alazmi视为分析,然而(gydF4y2BaAlazmi,然而,2001年版gydF4y2Ba)。在第一验证情况(gydF4y2Ba郭赵,2002gydF4y2Ba)= 100,公关= 0.7,gydF4y2BaεgydF4y2Ba= 0.1,Da = 10gydF4y2Ba^{−5gydF4y2Ba},达·达西数定义为Da =α/ HgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba(gydF4y2BaαgydF4y2Ba和H是热扩散率和充满多孔介质通道的高度,分别)。在第二个验证情况(gydF4y2BaAlazmi,然而,2001年版gydF4y2Ba)= 1,公关= 0.7,gydF4y2BaεgydF4y2Ba= 0.1,Da = 10gydF4y2Ba^{−3gydF4y2Ba}。gydF4y2Ba

验证结果说明gydF4y2Ba图2gydF4y2Ba关于标准化的流向速度的轴向分布。的完全填充多孔介质通道,得到一个很好的协议略微低估的边界层厚度gydF4y2Ba图2一个gydF4y2Ba。Alazmi,然而(gydF4y2BaAlazmi,然而,2001年版gydF4y2Ba)情况下,多孔介质位于y / H在0到0.5之间,和一个明确的地区位于上方。当前加快完美匹配的分析解决方案,尤其是在porous-fluid接口,通常是具有挑战性的数值方法,如所示gydF4y2Ba图2 bgydF4y2Ba。gydF4y2Ba

凯斯和克劳福德的分析结果(gydF4y2Ba凯斯和克劳福德,1993gydF4y2Ba)获得了一个平行的平面管的两个表面热通量等于gydF4y2Ba ${\stackrel{¨gydF4y2Ba}{\mathrm{问gydF4y2Ba}}}_{\mathrm{1gydF4y2Ba}}$ 和gydF4y2Ba ${\stackrel{¨gydF4y2Ba}{\mathrm{问gydF4y2Ba}}}_{\mathrm{2gydF4y2Ba}}$ 。使用它们来进一步验证目前热加快模型。三种不同的热通量比r值gydF4y2Ba_问gydF4y2Ba=gydF4y2Ba问gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba/gydF4y2Ba问gydF4y2Ba_1gydF4y2Ba被认为是,即rgydF4y2Ba_问gydF4y2Ba= 0.5,1和1.5。平均努塞尔数νgydF4y2Ba_1gydF4y2BaνgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba平均两个表面上(ν= (h。L) / k h =gydF4y2Ba问gydF4y2Ba/ (gydF4y2BaTgydF4y2Ba_bgydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BaTgydF4y2Ba_wgydF4y2Ba),L和k特征长度(长度)表面和流体导热系数,分别。gydF4y2BaTgydF4y2Ba_bgydF4y2Ba和gydF4y2BaTgydF4y2Ba_WgydF4y2Ba流体体积温度和表面平均温度,分别给出了吗gydF4y2Ba表1gydF4y2Ba。再一次,一个很好的协议目前加快的分析结果(gydF4y2Ba凯斯和克劳福德,1993gydF4y2Ba),表面的最大相对误差为1.3%。gydF4y2Ba

4.2网格独立性分析gydF4y2Ba

所有计算都使用统一的笛卡尔网格执行广场组成的元素。网格独立研究完成首次Re = 25,公关= 0.7,gydF4y2BaεgydF4y2Ba= 0.7,gydF4y2BaσgydF4y2Ba= 0.0001,gydF4y2BaβgydF4y2Ba= 90度,h / h = 0,和w / L = 1,考虑五种不同网格网格,包括;160×100、240×150、320×200、480×300、640×400 (x, y)飞机。gydF4y2Ba图3gydF4y2Ba显示网格组成的320×200,480×300、640×400个元素提供了非常相似的结果关于出口的温度曲线和速度剖面x = 2 h。电网320×200提供最好的折中准确性和计算工作,已被选为所有数值模拟。gydF4y2Ba

目前热加快解决者现在可以自信地使用调查的影响提出不同几何参数对t形micromixer的搅拌和冷却性能。gydF4y2Ba

4.3 t形micromixer分段的混合渠道gydF4y2Ba

本节考虑t型micromixer (gydF4y2BaβgydF4y2Ba= 90°,β是两者之间的角度与分段的混合通道入口流)和三种不同的h / h值比例,包括0、0.25和0.5。热混合是追究雷诺数25至100不等。与相关符号的原理配置T-micromixer,边界条件,分段的混合通道所示gydF4y2Ba图1 a, B, DgydF4y2Ba,分别。下面的结果已经获得了公关= 0.7,gydF4y2BaσgydF4y2Ba= 0.0001,gydF4y2BaεgydF4y2Ba= 0.7。gydF4y2Ba

图4一gydF4y2Ba显示垂直通道出口的温度曲线Re = 25。这个参数是一个很好的性能指标来衡量micromixer的热搅拌和冷却能力。最高温度较低出口价值表明更好的冷却和热混合过程。结果,加速冷却过程中与h / h = 0。此外,结果表明,分段的micromixer展品热混合比的简单混合通道,无论h / h的价值比率。同样的趋势是实现gydF4y2Ba图4 bgydF4y2BaRe = 50,但温度较高水平相比,Re = 25 (gydF4y2Ba图4一gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

更好地实现效果的混合通道几何T-micromixer分段的混合通道,温度轮廓绘制gydF4y2Ba图5gydF4y2Ba,还有4个值h / h比值。首先,改变混合通道的形状(简单的分段的)增加了混合长度,从而延长搅拌时间,因此,一个更好的冷却过程。因此,分段的混合通道可能是一种有效的方法来提高热混合。然而,随着h / h比值增加,漩涡的大小位于角落的通道上升,从而导致较低的传热速率。换句话说,更紧凑的涡流接触等温表面导致更好的传热速率。因此,h / h = 0的情况显示了更好的冷却过程和热混合。gydF4y2Ba

混合通道的流体平均温度和平均出口流体温度和不同雷诺数对各种模型进行了说明gydF4y2Ba图6gydF4y2Ba。一般来说,两个数据表现出相同的趋势,无论雷诺数。这样一个简单的混合通道显示温度或更高,换句话说,低性能的热混合。然而,利用分段的通道会导致更高的混合长度,更高的混合时间、混合和更好的热。各种型号的温度轮廓分段的混合渠道Re = 25日gydF4y2BaσgydF4y2Ba= 0.0001,gydF4y2BaεgydF4y2Ba= 0.7所示gydF4y2Ba图7gydF4y2Ba。可以看出,在最小值h / h, h / h = 0,速度大小达到最大值。由于强制对流,h / h = 0的情况表现出更高的传热速率或多个热混合。gydF4y2Ba

总传热和流体之间的混合通道墙壁和平均努塞尔特数混合通道中描述gydF4y2Ba数字8gydF4y2Ba,gydF4y2BaBgydF4y2Ba分别对不同雷诺数和各种模型。两个数据表现出相同的趋势与不同的价值观和斜坡。根据gydF4y2Ba图8gydF4y2Ba与分段的混合通道micromixer显示,高传热率的混合通道墙壁相比,基本通道。同时,研究了分段的病例中micromixer不同h / h值,比h / h = 0显示所有雷诺兹数最高的传热速率。例如,在Re = 25和h / h = 0, 15.38的传热增强,50岁和150%病例与h / h = 0.25、0.5,分别和简单的混合渠道。此外,Re = 100,这些改进h / h = 0时收到19.56,27.91和323.1%。此外,通过比较gydF4y2Ba数字8gydF4y2Ba,gydF4y2BaBgydF4y2Ba的趋势,可以得出的结论是,平均努塞尔数的函数对所有情况下雷诺数不变。gydF4y2Ba

更好地比较h / h比值的影响在分段的混合通道传热过程和热混合,温度轮廓为每个不同雷诺数情况和说明gydF4y2Ba图9gydF4y2Ba。首先,可以看出,随着雷诺数的增加,正是在多孔的出口区,热混合性能下降。所以,混合流体之间的温差(混合通道的入口)和混合通道壁上升,导致传热速率的增加混合流体和通道之间的墙。也,h / h的比例常数雷诺数降低,冷却过程变得更高,因为生成的漩涡在角落里得到更紧凑。此外,在低雷诺数(Re = 25),没有多孔区域的红色区域,这意味着更好的热混合。随着雷诺数的增加,更大的红色区域多孔区域所示。gydF4y2Ba

4.4 t形micromixer zigzag-shaped混合通道gydF4y2Ba

认为t形micromixer的示意图所示gydF4y2Ba图1gydF4y2Ba。广场多孔块放置精确混合通道的入口处。在这里,h / h比值的两个不同的值,包括0.5和1,被认为是。zigzag-shaped混合通道比较的结果与简单混合通道。孔隙度和热导率保持不变gydF4y2BaεgydF4y2Ba= 0.7,gydF4y2BaσgydF4y2Ba= 0.001,类似于前一节。研究了雷诺数范围在25和100之间。由于多孔块之间的联系和混合通道墙在0°C,混合流体之间的对流和混合通道壁发生在多孔介质区域。多孔区后,传热主要是由强制对流冷却过程。gydF4y2Ba

垂直温度资料的出口zigzag-shaped混合渠道3 h / h比值显示在gydF4y2Ba图10gydF4y2Ba。对t形截面的结果与zigzag-shaped通道micromixer Re = 25日公关= 0.7,gydF4y2BaεgydF4y2Ba= 0.7,gydF4y2BaσgydF4y2Ba= 0.0001。首先,用人zigzag-shaped混合通道的任何值h / h比值会导致平均气温较低的出口混合通道相比,简单的混合通道。其次,更好的搅拌和冷却性能属于zigzag-shaped混合通道和h / h = 0.5。gydF4y2Ba

为各种情况下显示在温度轮廓gydF4y2Ba图11gydF4y2BaRe = 25。可以看出病例h / h = 0.5和h / h = 1,混合通道长度大于简单的情况下,导致更好的热搅拌和冷却过程。在同一雷诺数,多孔块的温度分布是相同的,和多孔块之后才出现的差异。此外,值得一提的是,之间的差异情况下h / h = 0.5和h / h = 1gydF4y2Ba图11gydF4y2Ba非常薄弱。出口的流体平均温度和流体平均温度混合通道进行了说明gydF4y2Ba数字12gydF4y2Ba,gydF4y2BaBgydF4y2Ba分别作为不同的雷诺数的函数模型。gydF4y2Ba

首先,gydF4y2Ba图12gydF4y2Ba表明,这种趋势仍然是相同的:随着雷诺数的增加,温度上升。其次,它表明,最高和最低气温值属于情况下用一个简单的混合通道和锯齿形与h / h = 0.5。换句话说,作为简单的混合渠道改变了曲折,混合长度增加,导致高的热混合。同时,雷诺数的增长降低了混合过程,导致较低的热混合。澄清的形状的影响混合通道热搅拌和冷却过程,速度大小轮廓中描述gydF4y2Ba图13gydF4y2Ba各种型号的zigzag-shaped混合通道Re = 25。gydF4y2Ba

图13gydF4y2Ba说明利用zigzag-shaped混合通道混合导致较低的区域的通道,因此,速度大小增加。zigzag-shaped混合通道和h / h = 1展品更高的速度大小,导致传热速率较低,因为液体潴留时间提出micromixer ultra-laminar流体流动减少,因此,混合流体的热交换时间与冷壁(0°C)会降低。gydF4y2Ba

总传热和平均努塞尔特数zigzag-shaped混合通道提出了gydF4y2Ba数字14gydF4y2Ba,gydF4y2BaBgydF4y2Ba分别对不同雷诺数的函数模型。因此,可以得出结论,首先,在所有的h / h值,采用zigzag-shaped混合通道引起更多的传热速率和平均努塞尔特数相比简单混合通道。此外,很明显,随着雷诺数的增加,上升在各种情况下的差异。其次,h / h = 0.5的情况提出了一种高传热率和平均努塞尔特数比其他情况下考虑雷诺数。gydF4y2Ba

不同情况下的温度轮廓zigzag-shaped混合通道和各种雷诺兹数显示在gydF4y2Ba图15gydF4y2Ba。在gydF4y2Ba图15gydF4y2Ba所有情况下的任何值h / h执行比简单的直接通道。以恒定的雷诺数,例zigzag-shaped混合通道之间的差异是无关紧要的。gydF4y2Ba

4.5比较t形micromixer zigzag-shaped和分段的混合通道gydF4y2Ba

在本节中,比较的最佳模型zigzag-shaped和分段的情况下实现。的t形micromixer分段的混合通道和h / h = 0,和t形micromixer zigzag-shaped混合通道和h / h = 0.5被选为最佳的几何模型根据章节4.3,4.4。gydF4y2Ba

首先,混合通道的流体平均温度和平均出口流体温度与不同模型在不同雷诺数gydF4y2Ba数字16gydF4y2Ba,gydF4y2BaBgydF4y2Ba,分别。根据gydF4y2Ba图16gydF4y2Ba这两种情况下,一个先进的混合通道形状表现出较低的平均温度比直的情况下,这意味着提出micromixer可以执行成功冷却和搅拌过程。同样,在所有考虑雷诺数,T-micromixer与分段的混合通道h / h = 0的比例显示平均温度较低,导致更好的热混合,因此,更多的混流之间的传热和混合通道壁(冷却过程)。这一趋势的说明资料gydF4y2Ba图16 bgydF4y2Ba出口平均温度是一样的gydF4y2Ba图16gydF4y2Ba。然而,低于模型之间的差异gydF4y2Ba图16gydF4y2Ba因为沿着通道混合,混合流体有足够的时间和混合通道传输热量与零度墙。gydF4y2Ba

澄清的影响混合通道形状的冷却过程,特别是热混合,温度和速度大小的轮廓中演示了这三种情况gydF4y2Ba图17gydF4y2Ba。传说的轮廓在所有情况下设置相同的范围来缓解比较。因此,分段的和zigzag-shaped混合渠道展示一个更合适的温度分布的价值观和同质性比简单的通道。速度级描述的形状的影响混合通道冷却过程。换句话说,它可以看出分段的混合渠道导致速度大小的增加,从而导致更高的传热速率。显然,第一和第二之间的差异情况下基于最大速度的大小是重要的。温度轮廓显示,直到出口的多孔块在所有三个案例中,混合过程提供了同样的趋势。多孔块后出现完全的不同。gydF4y2Ba

总传热和平均努塞尔数的混合渠道了gydF4y2Ba数据18gydF4y2Ba,gydF4y2BaBgydF4y2Ba分别对不同雷诺数和模型。这些情况下依然疲软的区别在低雷诺数。随着雷诺数的增加,传热速率,因此平均努塞尔特数增加,因为强制对流。例如,在最低雷诺数,Re = 25日的micromixer分段的混合通道(h / h = 0)展品传热速率提高到100年,200%与zigzag-shaped micromixers (h / h = 0.5)和简单的混合渠道,分别。此外,在最高的雷诺数,Re = 100, micromixer分段的混合通道(h / h = 0)展品更高的传热速率(增强到150年,323.1%与zigzag-shaped micromixers (h / h = 0.5)和简单的混合渠道,分别。平均努塞尔特数保持不变的趋势相比gydF4y2Ba图18个gydF4y2Ba,但由于不同的斜坡。gydF4y2Ba

速度和温度轮廓显示在gydF4y2Ba图19gydF4y2Ba这三个案件澄清的影响混合通道形状对传热速率和混合过程。分段的和zigzag-shaped混合渠道导致混乱的流动导致的增加的速度大小,因此更高的传热速率。一步-和zigzag-shaped混合渠道,速度矢量的角落都很小,高亮显示这些地区的涡流。创建涡流动甚至在层流政权(混沌流)导致更高的传热速率。gydF4y2Ba

广泛的再循环(红圈)出现在英吉利海峡角落的情况下分段的,zigzag-shaped混合通道,如图所示gydF4y2Ba图20gydF4y2Ba。这些漩涡创建由于混合通道几何形状的变化,并提高热混合。热混合被插入一个显著提高多孔块完全冷热流之间的交界处。gydF4y2Ba

5的结论gydF4y2Ba

热搅拌和冷却过程进行评估在不同的T-micromixers数值。提高设备的性能,插入一个多孔块精确碰撞点的两个冷热流和混合通道形状改变。数值解算器是基于DgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba问gydF4y2Ba_9gydF4y2Ba热晶格玻尔兹曼方法。多孔块的属性,包括它的孔隙度和渗透率,一直保持不变。与分段的或不同micromixers zigzag-shaped混合通道和各种h / h比值分别进行了分析。最后,最好的情况下,每个部分相互进行比较。结果可以概括如下:gydF4y2Ba

——使用分段的或zigzag-shaped通道层流制度导致混乱的流动,因此,提高了传热和流体之间的墙。gydF4y2Ba

——对t形截面的micromixer分段的混合通道,随着h / h比值的增加(增加混合通道的高度),创造了漩涡的半径在角落里的通道上升,导致传热速率较低。gydF4y2Ba

——在T-micromixer分段的混合渠道,以最低的考虑雷诺数(Re = 25), h / h = 0的情况下提高了15.38,50岁和150%的传热情况下相比h / h = 0.25, 0.5,和简单的混合通道,分别。此外,在最高考虑雷诺数(Re = 100), h / h = 0的情况下提高了19.56,27.91和323.1%的传热情况下相比h / h = 0.25, 0.5,和简单的混合通道,分别。gydF4y2Ba

——的T-micromixer zigzag-shaped混合通道,与h / h = 0.5展品更高的速度大小,从而导致更高的因为强制对流传热速率。gydF4y2Ba

——对t形截面的micromixer zigzag-shaped混合通道,h / h = 1的情况有一个较低的峰值温度高达84.62%和81.81相比,h / h = 0.5和简单的混合通道,分别。gydF4y2Ba

——在考虑最低雷诺数(Re = 25), micromixer的分段的混合通道(h / h = 0)展览一个增强传热速率100和200%相比micromixer zigzag-shaped (h / h = 0.5)和一个简单的混合通道,分别。Re = 100,这些增强功能得到150和323.1%,分别。gydF4y2Ba

根据获得的结果,可以得出结论,采用提出的几何图形的混合通道的入口处装有多孔块会导致一个更好的热混合相比,简单直接的情况。因此,它可以被视为一个非常micromixers热力性能的影响问题,并提出了模型的实验研究为未来的研究可能是一个有趣的话题,以确认目前的发现。gydF4y2Ba

数据可用性声明gydF4y2Ba

原始数据支持了本文的结论将由作者提供,没有过度的预订。gydF4y2Ba

作者的贡献gydF4y2Ba

SA和SP的概念和设计研究。SA组织数据库。SA进行了数值分析。SA写了初稿的手稿。SA和SP的写的部分手稿。所有作者导致修订手稿、阅读和批准提交的版本。gydF4y2Ba

的利益冲突gydF4y2Ba

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。gydF4y2Ba

出版商的注意gydF4y2Ba

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。gydF4y2Ba

引用gydF4y2Ba

命名法gydF4y2Ba

cgydF4y2Ba离散晶格速度gydF4y2Ba

达gydF4y2Ba达西数(-)gydF4y2Ba

fgydF4y2Ba流动流体的分布函数gydF4y2Ba

FgydF4y2Ba外力,加速度(理科硕士gydF4y2Ba^{−2gydF4y2Ba}]gydF4y2Ba

ggydF4y2Ba温度分布函数为gydF4y2Ba

GgydF4y2Ba重力加速度,(理科硕士gydF4y2Ba^{−2gydF4y2Ba}]gydF4y2Ba

HgydF4y2Ba特有的高度,[m]gydF4y2Ba

KgydF4y2Ba渗透率、[mgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba]gydF4y2Ba

kgydF4y2Ba热导率,[W.mgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}。KgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba})格点模型方向gydF4y2Ba

νgydF4y2Ba当地努塞尔特数(-)gydF4y2Ba

PgydF4y2Ba压力,(pa)gydF4y2Ba

公关gydF4y2Ba普朗特数,(-)gydF4y2Ba

问gydF4y2Ba横向壁传热,[W]gydF4y2Ba

再保险gydF4y2Ba雷诺数,[-]gydF4y2Ba

rgydF4y2Ba比[-]gydF4y2Ba

tgydF4y2Ba时间,[s]gydF4y2Ba

TgydF4y2Ba温度,[K]gydF4y2Ba

ugydF4y2Ba速度分量,理学硕士gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}]gydF4y2Ba

xgydF4y2Ba维度,[m]gydF4y2Ba

希腊符号gydF4y2Ba

εgydF4y2Ba孔隙度、(-)gydF4y2Ba

µgydF4y2Ba动态粘滞度,(宾夕法尼亚州)gydF4y2Ba

ρgydF4y2Ba密度,[kg.mgydF4y2Ba^{−3gydF4y2Ba}]gydF4y2Ba

σgydF4y2Ba电导率比,(-)gydF4y2Ba

υgydF4y2Ba运动粘度,[mgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba。年代gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}]gydF4y2Ba

τgydF4y2Ba弛豫时间gydF4y2Ba

ωgydF4y2Ba权重因子gydF4y2Ba

αgydF4y2Ba扩散系数,[mgydF4y2Ba^2gydF4y2Bas . .gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}]gydF4y2Ba

βgydF4y2Ba角之间的两个入口流(°)gydF4y2Ba

下标gydF4y2Ba

effgydF4y2Ba有效的gydF4y2Ba

情商gydF4y2Ba平衡态分布函数gydF4y2Ba

我,我gydF4y2Ba维方向gydF4y2Ba

问gydF4y2Ba热通量gydF4y2Ba

kgydF4y2Ba热导率,[W.mgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}。KgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba})格点模型方向gydF4y2Ba

创gydF4y2Ba总生成gydF4y2Ba

fgydF4y2Ba流动流体的分布函数gydF4y2Ba

年代gydF4y2Ba固体gydF4y2Ba

在gydF4y2Ba入口gydF4y2Ba