微細(xì)通道內(nèi)流動沸騰的實驗和理論研究.pdf

1、微尺度下的流動沸騰傳熱與傳質(zhì)是一個復(fù)雜的問題，有著廣泛的應(yīng)用前景。雖然很多研究者作了不少的工作，發(fā)表了較多的文章，但是對機(jī)理的認(rèn)識仍然很不充分，實驗結(jié)果也相差很大，甚至相反。但由于其在微機(jī)電系統(tǒng)、高能流密度微電子、航空航天、激光技術(shù)及新材料的加工及制造上有巨大的應(yīng)用前景，各國的眾多研究者對微尺度流動沸騰的研究給予了高度的重視。本文以揭示微槽道內(nèi)流動沸騰的機(jī)理為目的，以流動沸騰的流型、壓降及換熱特性為著手點，對微通道內(nèi)流動沸騰進(jìn)行了實驗研

2、究及理論分析。 本文首先利用38000幀/秒的高速攝影儀和寬視場體視顯微鏡相結(jié)合的可視化觀察與測量技術(shù)對水平布置的石英玻璃微管及矩形微槽內(nèi)水的流動沸騰的氣泡產(chǎn)生、生長及合并等流型的變化進(jìn)行了可視化實驗研究。實驗結(jié)果表明：在內(nèi)徑為520μm和315μm石英玻璃微管內(nèi)，其流動沸騰的流型以單相液流、泡狀流、塞狀流和環(huán)狀流的周期變化為主。而在內(nèi)徑為242μm微管內(nèi)，無論是在過冷沸騰和飽和沸騰情況下，都只發(fā)現(xiàn)了單相液流和環(huán)狀流流型，而沒有

3、看見任何氣泡的行為。在微通道內(nèi)水的過冷流動沸騰中，進(jìn)出口壓降變化與出口溫度基本上是一一對應(yīng)并且反相的，其過程從宏觀上講是由飽和蒸汽和過冷水的交替通過組成的。這與常規(guī)尺度下流動沸騰的情況是完全不同的。在矩形微槽內(nèi)流動沸騰過程中，其流型變化無論是過冷沸騰還是飽和沸騰都與石英玻璃微管內(nèi)的流型變化基本一致。 其次，在了解微通道內(nèi)流動沸騰的流型變化特點的基礎(chǔ)上，為了充分的了解微管及矩形微槽內(nèi)流動沸騰的壓降特性和換熱特性，我們以蒸餾水為工質(zhì)

4、，采用直接電加熱的方式，利用紅外熱成像儀和高精度熱電偶、精密壓力傳感器對微通道的外壁面溫度和進(jìn)出口壓降進(jìn)行了精確的測量。實驗的結(jié)果表明：利用紅外熱成像儀的顯示特點，可以對不透明的微管內(nèi)過冷沸騰狀態(tài)下流型的變化情況進(jìn)行預(yù)測。在飽和流動沸騰時，兩相摩擦壓降隨熱流密度的增加而增大。而兩相摩擦壓降因子Ф2FL隨L-M參數(shù)X的增加而單相減小，與質(zhì)量流速的變化也有一定的關(guān)系。在實驗條件相同的情況下，微圓管與矩形微槽內(nèi)流動沸騰的壓降結(jié)果幾乎是一致的。

5、通過實驗數(shù)據(jù)與其他研究者的實驗預(yù)測式的比較，并考慮到不同管徑和流速的影響，在實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上建立了新的微管及矩形微槽內(nèi)兩相摩擦壓降因子Ф2FL及兩相摩擦壓降關(guān)聯(lián)式。在對飽和流動沸騰換熱特性進(jìn)行探討時，發(fā)現(xiàn)對于微管，兩相換熱系數(shù)隨干度的增大而逐漸緩慢減小或保持不變，這種現(xiàn)象是由于環(huán)狀流氣芯中間間歇通過的液體在壁面上的沉積導(dǎo)致了液膜的增厚而造成的。而質(zhì)量流速和進(jìn)口溫度等參數(shù)的變化均會對實驗段的換熱特性產(chǎn)生一定的影響。對于矩形微槽內(nèi)的流動沸騰

6、情況，其換熱的特性與微管內(nèi)的恰恰相反，兩相換熱系數(shù)總體上隨干度的增大而逐漸緩慢增大或保持不變。這可能是由于壁面加熱方式的不同導(dǎo)致氣相夾帶液體在壁面上沉積方式的變化而引起。通過實驗數(shù)據(jù)與已有的疊加模型、兩者擇大模型、漸進(jìn)模型和增強模型及幾組微細(xì)管槽的實驗預(yù)測式進(jìn)行了比較，并在實驗結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，建立了新的微管和矩形微槽內(nèi)的流動沸騰換熱實驗預(yù)測式。 最后，在微通道內(nèi)流動沸騰的可視化實驗研究的基礎(chǔ)上，本文建立了飽和流動沸騰狀態(tài)下微管