大容量圆柱动力电池在电动汽车上的广泛应用导致电池包轻量化和热管理设计需求日益突出。以新型4680大号圆柱电池为研究对象,设计具有4种不同微通道网络(平行、分叉、蛇形和螺旋)的碳纤维增强复合材料(CFRP)圆筒散热结构,并分析微通道网络结构、冷却剂流速、微通道直径以及微通道进出口数量对其散热性能的影响规律。结果表明,在4种微通道CFRP圆筒结构中,平行网络微通道CFRP圆筒结构的整体换热性能最佳;微通道直径对CFRP圆筒散热性能的影响较小,但对泵压影响较大;二进二出CFRP散热圆筒的换热性能比一进一出圆筒换热结构具备明显优势。

优化微通道几何结构是提高其流动与传热综合性能的有效途径。针对具有V形凹槽结构的微通道,采用数值模拟方法研究了不同V形凹槽间距r和入口速度u对微通道流动和传热特性的影响规律,并通过强化传热因子η来衡量其综合性能。结果表明具有V形凹槽的微通道相比于光滑内壁的微通道压降ΔP有所降低;V形凹槽微通道的流动损失和传热性能随着r的增加而增大,但当r大于0.75后流动损失的增幅变小;综合强化因子随r和u的增加而增大,r=1的微通道具有最优的综合性能。

集流器结构设计效率低下是导致微通道散热器流量分配不当的关键因素。为实现多通道散热器中均匀流动,采用ANSYS-Fluent数值模拟传统与优化集流器下微通道中的流动性能,利用气液两相流模型分析微通道中质量流量分布情况,对比2种集流器的微通道散热器在不同流动状态下的适用状况。结果表明:传统集流器沿壁面边界层的生长以及高低速分布是导致流量分配不均的主要原因;在入口流速0.5 m/s时,传统集流器中各支管质量流量偏差达到32.2%,而优化集流器仅为8.9%,各支管流量均匀性提高72.36%;优化集流器下的散热器中压能利用效率高,高压区域面积大,末端压力处于140~260 Pa的中压区域;在层流和湍流2种流动状态下,优化型散热器中各支管间流量差异能控制在±15%以内,而传统结构在±40%左右,优化结构具有更强适用性。

换热器是制冷系统主要的传热部件,换热器的好坏直接影响系统的综合性能。从CO2的性质和跨临界系统的特点出发,介绍跨临界CO2制冷系统中换热器的结构型式的发展,指出发展微通道换热器是提高CO2制冷系统性能的必然。

为了实现微量液体的快速均匀混合,设计了一种PDMS双层结构的新型微混合器。研究了混合器的制作方法以及几何尺寸和Re数对混合的影响。依据Fick第一定律介绍了主辅通道型微混合器的设计原理;采用有限元方法对不同几何尺寸及Re数下混合器中液体的速度流场及浓度场进行了数值模拟;数值分析显示,随着主辅通道出口宽度比的减小,通道长度的增加和雷诺数的减小,混合器的混合率增加。最后,依据仿真结果制作了主辅通道深度比为0.71,出口宽度比为1,通道长度为9mm的微混合器并进行了去离子水和红墨水的混合实验。实验结果表明：当Re〈5时,设计的混合器能实现液体的快速混合,并且混合率随着Re的减小而增大,基本满足低Re数下微量液体快速均匀混合的要求。

提出了可在普通实验室制作PDMS圆截面微流动通道的微丝模塑技术，构建了包含受控微流动通道、图像采集和处理的微粒子图像测速（Micro-PIV）系统．利用PIV标准图像验证了以FFT互相关算法和小波消噪算法为基础设计的Micro-PIV分析软件的可靠性．应用聚苯乙烯粒子与纯水配制的悬浮液作为流体，应用Micro-PIV系统提取了圆截面微流动通道内流体的速度向量场，由此计算出通道圆截面上的切应力分布．经流变学理论分析证实，所研制的Micro-PIV系统具有较高的精度．同时表明，采用微丝模塑技术制作的PDMS圆截面微通道具有良好的流动特性．

对以空气、甘油为工作流体在水平聚二甲基硅氧烷（p01ydimethylsiloxane，PDMS）微通道内产生的弹状流进行了可视化实验研究。实验结果表明，微通道中弹状流的气柱速度随着体积含气率增大而阶梯状减小。气柱长度在体积含气率小于0．06时几乎不发生变化；当体积含气率大于0．06时，随体积含气率的增大而呈线性增大。气柱间距随体积含气率的变化与气柱长度相反。气柱和微通道壁面之间存在稳定的薄液膜，当地薄液膜压力稳定，气柱流经当地时所造成的压力波动很小；当地静压随体积含气率的增大而减小。

为进一步提高间断微通道热沉的综合热性能,在间断微通道的横断区布置向前楔形肋和向后楔形肋,并采用数值模拟方法研究这些通道的流动和传热特性,所得的研究结果与间断微通道(IMC)和光滑微通道(PMC)进行对比。对比结果表明:在大部分工况条件下,带有向后楔形肋的间断微通道(IMC-BW)的压降、传热系数和综合传热强化因子均高于其他通道;在研究的进口速度范围内,IMC-BW通道的压降和传热系数分别比PMC通道平均高11.96%和32.74%,比IMC通道平均高18.76%和24.57%;IMC-BW通道的综合传热强化因子为1.20~1.34,比IMC通道平均高17.64%。

搭建了一套测试微通道性能参数的循环换热试验系统，介绍了组成该系统的微通道换热器、模拟芯片、微型泵、恒温装置以及控制测量等部件。以水为介质，对三种不同结构型式微通道换热器的传热及流动性能进行了试验研究，测量了进出微通道换热器的冷却液流量、温度和压差以及模拟芯片表面多个测点的温度等参数，获得了微通道换热器内的流动阻力和传热特性。

针对纯电动客车热泵系统在高温和低温环境下排气温度过高、系统性能衰减的问题,开发了一种低压补气型纯电动客车全微通道热泵系统。搭建了试验台对系统制冷、制热性能参数进行研究。结果表明:在高温50℃环境下,与不补气系统相比,低压补气系统排气温度下降12.6℃,制冷量和压缩机功率分别下降6.1%和9.1%,COPc提高3.6%;在超低温-10℃和-20℃环境下,与不补气系统相比,低压补气系统排气温度分别下降37.4℃和29.4℃,制热量分别提高16.6%和22.6%,压缩机功率分别提高10.8%和14.5%,COPh分别提高5.3%和7.1%。