（热能工程专业论文）微槽道内流动沸腾可视化实验研究与分析.pdf

摘要 摘要 近年来，微系统的发展使得有关微尺度方面的研究方兴未艾，微尺度下的传 热传质问题也成为研究热点之一。沸腾换热本身已经是一个复杂的课题，微尺度 下的沸腾换热研究的难度更大。沸腾的流体在狭小的空间内展现出多变的流动形 式，使我们难以清晰地认识其流动和换热的机理。因此近年来对微尺度流动沸腾 的研究出现了各种不同的结论，但至今仍没有得到一致的实验规律，有的结论甚 至还相互矛盾。根据科学发展的一般规律，我们相信，未来总有一天我们会清楚 地认识到微尺度下流动沸腾的机理；但在此之前，需要我们积累大量的数据。本 文通过对微槽道内流动沸腾实验和可视化的实验，一来为微尺度领域的研究丰富 实验数据：二来通过自己的工作，尝试探讨微槽道内流动沸腾的机理。 本文第l 章回顾了前人关于微槽内流动沸腾的研究工作，简单列举了他们的 工作和结论，并由此总结出前人的研究方向换热特性、压降特性和流型可视 化研究三大方面，实验也是按照这三部分进行。 第2 章主要介绍了实验思路和原理、实验台的搭建和数据处理方法。实验思 路中详述了自己的实验方案和手段，以及对实验中一些关键问题的解释。实验台 部分详细介绍了实验装置、实验件的加工和遇到的困难，并对主要的实验器材进 行了简单介绍。数据处理则是在实验原理的基础上对本实验的数学描述，列举了 换热和压降计算的思路与公式。 第3 章是换热和可视化实验部分。我们对两道微槽进行了实验，文章中我们 称之为微槽甲和微槽乙，微槽甲宽o 4 m m ，深o 4 m m ：微槽乙宽o 4 m m ，深o 2 r a m ， 各自实验。选择不同的进口温度、质量流速等参数，通过间断地增加电流使得加 在微槽上的热流密度不断升高，从而干度x 越来越大，得到各工况下换热系数h 与千度z 的变化关系，进行全面的分析比对，并与前人的结果比对，由此总结换 热规律。在同步进行的可视化实验中，时刻监视流型的变化，并根据流型来解释 得到的 q 曲线在不同工况下的趋势。 第4 章是压降特性实验部分。实验段仍是微槽甲和微槽乙，得到各工况下的 压降4 p 与热流密度q 。的关系，以及两相摩擦压降修正因子凡与l m 参数肖 的关系。分析比对各工况下的4p - q 。和中2 f l 并曲线，并对其趋势进行解释。最后 堕型! 堂垫塑堕里塑些壅鉴婴壅兰坌塑 仍将压降实验结果与前人结论进行比对，指出差异。 第5 章中我们对第3 章和第4 章里做出的分析加以综合，总结出本实验的结 沦；并根据实验中遇到的问题，探讨微尺度流动沸腾领域未来可能的研究方向。 关键词：流动沸腾，换热，流型，压降 a b s t r a c t a b s t r a c t w a n gj i h u i ( t h e r m a le n g i n e e r i n 曲 d i r e c t e db yp r o f e s s o rt a n gd a w e i w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm i c r o s y s t e m ，t h es t u d yo nm i c r o s c a l eh e a ta n d m a s st r a n s f e rh a sb e e np a i dg r e a ta t t e n t i o n b o i l i n gh e a tt r a n s f e rm a i n t a i n sy e ta c o m p l e xs u b j e c t ，t h u sm a k i n gt h er e s e a r c hw o r ki nm i c r o e n v i r o m n e n te v e nm o r e d i f f i c u l t b o i l i n gf l o ws h o w sav a r i e t yo ff l o wp a t t e r n si nc o n f i n e ds p a c e ，a n dw e s c a r c e l yh a v ea n yp l a i ni d e aa b o u ti t sm e c h a n i s mo nf l o wa n dh e a tt r a n s f e r m a n y c o n c l u s i o n sh a v eb e e np u tf o r w a r di nt h ep a s ty e a r s ，s o m eo f w h i c ha r eo u to fa c c o r d w i t l le a c ho t h e r , s o m ee v e nc o n t r a d i c t o r y t oc l a r i f yt h eh e a tt r a n s f e rm e c h a n i s mi n m i c r o s y s t e ms h o u l db eat o u g hs c i e n t i f i ca n de n g i n e e r i n gc h a l l e n g e t h i sp a p e r c o n t r i b u t e st ot h ee x p e r i m e n t a ld a t aa c c u m u l a t i o ni n t h i sf i e l dt h r o u g hm i c r o g r o o v e f l o wb o i l i n ga n dv i s u a l i z a t i o n e x p e r i m e n t s ，a n dm a k e s e f f o r t st o s u g g e s t t h e m e c h a n i s mo f m i c r o g r o o v ef l o wb o i l i n g c h a p t e ro n er e v i e w sp r e v i o u sw o r k so nm i c r o g r o o v ef l o wb o i l i n g , b y s u m m a r i z i n gt h e i rr e s u l t sa b o u t ：h e a tt r a n s f e r , p r e s s u r ed r o p ，a n df l o wp a t t e r n v i s u a l i z a t i o n t h ee x p e r i m e n ti so u t l i n e da c c o r d i n g l y c h a p t e rt w od e a l sw i t h ( 1 ) t h ee x p e r i m e n t a lm e t h o da n dp r i n c i p l e ，( 2 ) s e t u po f e x p e r i m e n t a ls y s t e m ，a n d ( 3 ) p r o c e s s i n go fd a t a t h ee x p e r i m e n t a ls c h e m ea n d m e t h o da r ed e s c r i b e di nd e t a i li nt h ef i r s tp a r to f t l l i sc h a p t e r t h es e c o n dp a r ti sa b o u t e x p e r i m e n t a le q u i p m e n t ，t h ep r o c e s s i n go fe x p e r i m e n te l e m e n t s ，a n dt h ed i f f i c u l t i e s e n c o u n t e r e d t h el a s tp a r ti n c l u d e sm a t h e m a t i c a ld e s c r i p f i o no nb a s i so fe x p e r i m e n t p r i n c i p l e ，l i s t i n gt h ev i e w p o i n ta n df o r m u l au s e di nh e a tt r a n s f e ra n dp r e s s u r ed r o p c a l c u l a t i o n c h a p t e rt h r e eg i v e st h ee x p e r i m e n to fh e a tt m s f c ra n dv i s u a l i z a t i o n t w o m i c r o g r o o v e sa r ep r e p a r e da st h es a m p l e s ，t h a ti s ，m i c r o g r o o v e1w i t ho 4 m mi n w i d t ha n d0 4 m mi nd e p t h a n dm i c r o g r o o v e1 1w i t ho 4 m mi nw i d t ha n do 2 m mi n d e p t h a td i f f e r e n ti n l e tt e m p e r a t u r ea n dm a s sf l u xr a t e ，t h r o u g hi n c r e a s i n ge l e c t r i c a l i 】l 微槽道内流动沸腾刈视化实验研究与分析 c u r r e n ta tv a r i o u si n t e r v a l s ，t h eh e a tf l u xo f m i c r o g r o o v ek e e p si n c r e a s i n g ，a n dt h e v a p o rq u a l i t yi sg o i n gu pt o o i nt h i sw a y , t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h eh e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n ta n dt h ev a p o rq u a l i t yu n d e rd i f f e r e n t s i t u a t i o ni s o b t a i n e d ，a n db y c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i s ，c o m p a r i s o nw i t ht h el i t e r a t u r er e s u l t s ，w ec o m et oa c o n c l u s i o n i ns y n c h r o n o u sv i s u a l i z a t i o ne x p e r i m e n t ，t h ef l o w p a t t e r nc h a n g ew i t h t i m ei so b s e r v e d ，w h i c hi su s e dt o e x p l a i nt h et r e n do fh - xc u r v eu n d e rv a r i e d c o n d i t i o n s c h a p t e rf o u rd e a l sw i t ht h ee x p e r i m e n t so fp r e s s u r ed r o p w i t ht h es a t n e m i c r o 。g r o o v eia n dm i c r o g r o o v ei i ，t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e np r e s s u r ed r o p ( 4 p ) a n d h e a tf l u x ( g e ) ， a n dt h a tb e t w e e n t w o - p h a s ef r i c t i o n a lf a c t o r( 妒凡)a n d l o c k h a r t - m a r t i n e l l ip a r a m e t e r i so b t a i n e du n d e rd i f f e r e n tc i r c u m s t a n c e s t h e nt h e c u r v eo f4p - q pa n d 扩f 描i sa n a l y z e d ，a n dt h et r e n di s e x p l a i n e d f i n a l l y a c o m p a r i s o ni sm a d ew i t hp r e v i o u ss t u d i e s c h a p t e rf i v eg i v e st h es u m m a r yo ft h i sw o r ka n ds o m es u g g e s t i o n so nf u t u r e w o r ki nt h ef i e l do f m i c r of l o wb o i l i n g k e y w o r d s ：f l o wb o i l i n g , h e a tt r a n s f e r , f l o wp a t t e r n ，p r e s s u r ed r o p 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 微槽道内流动沸腾研究的意义与背景 电子元器件逐渐朝着小型化、大功率的方向发展，在元件间微小的空间内很 容易产生较高的热流密度，直接影响到微系统运行的可靠性。各国对微尺度的研 究高度重视，学术界也将其作为研究重点之一，早在1 9 9 8 年，各国政府用于微 机械系统上的研究经费已达6 亿美元叽如今，在微机械系统内作为主要冷却方 式的风冷技术已经很难满足微系统的散热要求，散热问题日益成为制约微电子技 术发展的瓶颈。在这种情况下，基于微尺度相变理论的流动沸腾微槽紧凑式换热 器应运而生。s h a h f 2 1 将表面密度比大于7 0 0 m 2 m 3 的换热器称为紧凑式换热器， 它包括微通道和小通道蒸发器。众所周知，水的对流换热系数远大于空气，差别 为两个数量级【3 】，而且液体工质可以通过相变带走更多的热量。在微电子冷却技 术中，一个3 c m 长的方形换热器在质量流量7 0 0 0 k g h 的条件下，换热功率可达 2 0 0 k w m 2 。这样高效的换热效率得益于微小尺度相对予大尺度具有较高的换热 系数和较大的表面密度【4 。所以，以水或其他液体为工质的流动沸腾微槽式紧凑 换热器能够有效地保证微系统的散热要求。这种技术不仅可以达到较好的换热效 果，而且可以利用冷却工质的相变潜热使电子器件表面的温度保持在一个较低的 安全温度之内，从而消除了温度差异和温度超限对电子器件工作稳定性、可靠性 的影响。 微槽紧凑式换热器的研究重心是对微槽道内流动沸腾的研究，目前对于该课 题的研究主要集中在流动和传热机理的实验和理论研究上。通过实验测量微槽道 的内壁面温度、进出口温度及压降、质量流速、热流密度等参数，并通过可视化 实验观察流型变化来确定微槽道内传热的控制因素，分析微尺度效应对微通道内 压降、传热，c h f 的影响；通过对不同质量流速、不同进口温度、不同热流密 度和不同冷却工质( 水或其他氟化物) 等的比较实验来确定工况和工质物性的差 异对微通道内传热机理的影响。 根据b o w e r s 和m u d a w a r t s l 对微通道的定义，水力直径在1 0 1 x m l m m 之间的 槽道均可称为微槽道。微槽道的水力直径相比宏观尺度减小了2 3 个数量级， 根据前人的研究成果，我们知道微尺度流动沸腾因此体现出一些与宏观尺度流动 微槽道内流动沸腾可视化实验1 i ；i f 究与分析 沸腾所不同的地方： 1 微尺度效应对流动和传热的影响显著，微通道水力直径与气泡直径相当，气 泡的行为变化对流动沸腾有较大影响。 2 微通道内压降更大，而且存在压力的振荡与波动，在多槽结构中还易出现流 动的逆转。 3 微通道内流型的变化有别于常规尺寸下，在实验过程中也发现了一些新的流 型形式。 4 微米量级的微通道使得实验台加工、装配的难度增大，同样由于尺度微小而 且一些接触性测量手段不可避免，所以实验数据测量的精确性受到影响，同 时对工质的流动也会产生影响。 上述客观因素使得常规尺度流动沸腾理论模型应用于微尺度时会产生较大 误差。迄今为止，许多微尺度流动沸腾方面的研究论文业已发表，各独立研究中 所呈现的实验结果相差较大，总结出的理论模型和实验关联式也都有严格的适用 范围，至今还没有一个通用的物理模型来描述微通道内的流动沸腾现象。 因此，完善微尺度流动沸腾实验，从实验中获取可靠的实验数据，建立理论 模型以解释尺度效应对微槽道系统流型、压降及传热的影响，揭示微槽道内流动 沸腾的机理，这在理论和应用上都具有重要意义。 1 2 课题研究的现状与趋势 微尺度流动沸腾研究是近几年来国内外微尺度研究的重点，也是微机电系统 ( m e m s ) 领域一个比较新的课题。研究主要集中在流型研究、换热特性研究、压 降特性研究上。 1 2 1 流型研究 在两相流流动和换热特性的研究中，流型虽不能被定量描述，但它是流动与 传热的计算依据。流型不同，流动与传热机理就不同，尤其在微尺度下，由于空 间狭窄，流型变化一般较为剧烈，而流型的变化往往会引起流阻改变、流动的稳 定性改变以及传热危机。因此对流型进行可视化研究意义重大，可以为微槽内流 动沸腾的压降、传热传质理论模型和沸腾机理的探讨提供直观的判据。以下是前 人的一些有关微通道和小通道内流动沸腾流型的研究成果。 c o m w e l l 和k e w 【6 对截面宽1 2 m m 、深0 9 r a m 的铝板和玻璃板上的矩形槽群 第l 章绪论 进行了可视化实验研究，冷却工质为r 1 1 3 。实验中观察到三种流型区域：孤立 气泡区、受限气泡区、环状一塞状区。并且发现流型与换热系数关系密切：在孤 立气泡区，有h 口。一，显示此时是泡核沸腾起控制作用；在受限气泡区，气泡 几乎占据整个槽道横截面，h 受q 的影响减小；在环状流塞状流区，对流效应 占据主导地位。 m o r i y a m a 和i n o u d 7 1 对水平的平行板之问的厚度为3 5 9 m 1 1 0 9 m 的窄缝内 的两相流动沸腾进行了实验研究，冷却工质为r “3 。实验中观察到因槽道限制 而拉平的气泡( 部分已合并) 、沿壁面的液条流动及液膜流动。 m e r t z 等【8 1 对宽度为l m m ，2 m m 和3 m m 的矩形单槽和多槽中水及r 1 4 1 b 的流动进行了实验观察，发现了泡状流、受限气泡流、环状流，并观察到槽道内 气泡的产生是不连续的。另外，槽道内气泡的存在似乎堵塞了流道，在某些情况 下，会引起槽群内流体的反向流动。在单槽和多槽结构中都发现了较大的压力波 动。 k a s z a 9 】等用最大速度为1 2 0 0 0 帧，秒的高速摄影仪对截面宽2 5 m m 、深6 r a m 矩形槽进行了可视化实验研究。实验观察到当气泡生长未与壁面及汽液界面相互 作用时，气泡生长速度同池沸腾相似。当气泡合并形成汽塞后，汽塞与壁面之间 被一一层o 6 7 m m 厚的薄液膜所阻隔，在这层液膜中发现泡核沸腾的存在。汽塞下 的气泡生长是平的，并覆盖了较大的壁面，其气泡下的薄液膜微层提高了换热效 果。他们的发现清晰地显示出薄液膜中泡核沸腾的发生可以存在于塞状流和环状 流条件下。 p c n g 1 q 认为微槽换热与常规尺度有所不同，常规的泡核沸腾现象在微槽中并 不存在。他分别以水、乙醇以及两者混合物为工质在不同形状的微槽中进行实验， 发现核化区和对流区处在不同的区域，在水力直径为o 1 m m 0 6 m m 的矩形槽及 三角槽中并没发现沸腾现象，但显示出明显的换热增强，故他们称这种微槽内的 非常规现象为“拟沸腾”。 b o n j o u r 和l a l l e n l a n d 【川对两垂直平面问窄空间的流动沸腾流型进行了研究， 冷却工质为r 一1 1 3 。发现了孤立气泡、合并气泡和局部蒸干的现象。并提出，将 气泡的尺寸及槽道的尺寸相比较是至关重要的，因为它决定了槽道尺寸是否会影 微槽道内流动沸腾可视化实验研究与分析 响气泡的生长及导致限制的流型。b 。n d 数2 f 虱g 。i 三习j 其中盯为表面张 力系数，n m 。对于小b o n d 数，槽道尺寸小于起泡尺寸形成合并气泡流型图； 对于大b o n d 数，槽道尺寸不会防碍气泡的流动。对气泡上作用力的详细分析需 要清晰判定边界层。 h e s t r o n i g 等研究了由水力直径为0 1 0 3 m m 0 1 2 9 r a m 的2 1 2 6 根平行 槽道组成的热沉，发现这些槽内出现流型的周期变化。单相流转变成环流有局部 蒸干现象，而局部蒸干并没有造成壁面温度的升高，分析是槽壁上还有未发现的 液膜存在。 m o s y a k a 等【1 3 】对水力直径为2 0 0 脚3 1 0 岫的平行三角微槽群内水的流动 沸腾进行了实验研究。发现在低热负荷下，气泡在某几个槽内产生，起初为球形， 然后沿轴向生长，气泡轴向的最大长度约是径向的8 倍，这与常规尺寸有所不同： 在高热负荷下，所有的槽道均出现沸腾，并且有周期性的再湿润与再充满以及蒸 干现象。 h e t s r o n ig 等【1 4 】对水力直径为2 5 0 “m 的平行三角微槽群内电介质流体 ( v e r t r e lx f ) 的流动沸腾进行了实验研究。质量流速为1 4 8 k g ( m 2 s ) 2 9 0 k g ( m 2 s ) ，出口压力为l b a r ；发现当工质以单相流进入微槽受热后，气相增 加；从某一时间开始，气相占据的横截面减小，单相流又出现。经测定，气相存 在的时间约为o 0 5 s ，而整个周期约为1 5 s 2 s 。正是这些流型的反复造成了微 槽群内的温度和压力波动。 h e t s r o n ig 等【1 5 1 对水力直径为2 0 0 肛m 3 1 0 岬的平行三角微槽群内蒸汽一水 的流型进行了研究。发现了爆发式的气泡行为，以及气泡向下游运动生长并形成 气塞的过程。 z h a n gl 等【1 6 1 对水力直径为2 0 1 t m 6 0 p m 的矩形微槽内的水的流动沸腾进行 了研究。发现微槽内的流型主要是有薄液层的环状流，没有发现典型的气泡流和 塞状流。 w uhy 和c h e n gp i n g t 】对梯形横截面的平行硅微槽群水的流动沸腾进行了 实验研究。水力直径分别为1 5 8 8 t i n 和8 2 8 1 a m 。对于水力直径为1 5 8 8 1 x m 的微 槽群，当热流密度从0 9 6 w e r a 2 增加至1 5 5 w c m 2 时，观察到周期性的沸腾现象： 第1 章绪论 单相流泡状流新形式的两相流型单相流新形式的两相流型一 泡状流单相流新形式的两相流型，其周期时问约为3 1 s 。这种新型式 两相流型在常规尺度流动沸腾中未被发现，并且随着流型的变化，相应的温度和 压降也发生波动。对于水力直径为8 2 8 肛m 的槽群，当热流密度为7 8 3 w g t n 2 ， 质量流速为1 6 8 r d ( 锄2 s ) 时，可视化观察发现类似的周期沸腾现象：单相流 泡状流塞状流搅拌流拉长的塞状流单相流泡状流拉 长的塞状流搅拌流，其周期时间约为1 4 1 s 。从以上两种实验的比较显示： 弹状流和搅拌流多出现于较小的尺度中；而水力直径较大的热沉中出现的新型流 型在水力直径较小的热沉中未发现，可能是由于较大的槽中侧墙对流型的影响比 较小的槽大。 q 1 1w 和m u d a w a ril 1 8 1 对由2 1 条平行的截面宽为2 3 1 p m 、高为7 1 3 0 m 的矩 形槽所组成的微槽群热沉进行可视化研究，发现在于度x = 0 附近，流型突然转为 环流，显示此时传热以强制对流沸腾为主。在实验中也发现了压降的波动。 从以上前人有关流型的研究中进行总结可以看出： 1 不同的实验情况下，通过可视化实验观察到的流型显著不同，这应该是微尺 度效应造成的。 2 不同的研究者通过可视化实验观察到的流型也不尽相同，但流型一般具有周 期性的特点。 3 在微槽群结构中，流型的变化不同于常规尺寸的情况。由于流型的变化，压 降、温度也都出现较大的波动。 1 2 2 换热特性研究 槽道内的流动沸腾换热有两种形式：泡核沸腾和对流沸腾。泡核沸腾由满足 核化条件时，加热面上的气泡形成来确定。核化条件包括贴壁处薄液层达到足够 核化的过热度。对流沸腾由通过薄液膜的热量传导对流及汽液界面的蒸发特性来 确定。在常规尺度流动沸腾中，泡核沸腾多发生在高热流密度、高壁面过热度和 低含气率情况下，其换热系数由热流密度、流体特性、流体压力、通道尺寸等决 定；而对流沸腾换热系数则由质量流速、质量含气率、流体特性、通道结构及尺 寸等决定。随着通道尺寸减小，气泡的脱离直径与微槽道尺寸逐渐接近，通道内 气泡更易合并，并有可能形成气塞，微槽道内沸腾机理与常规尺度相比就会发生 微槽道内流动沸腾可视化实验研究0 分析 很大的差异。 t r a n 等【1 9 1 对内径2 4 6 n m a 单管和宽为4 0 6 r a m 、深为1 7 r a m 单矩形槽进行了 流动沸腾实验研究，冷却工质为r 一1 2 。g = 4 4k 酬m 2 s ) 8 3 2k ( m 2 - s ) ，p = 5 1b a r 和8 2 b a r ，q = o 3 6 w e r a z 1 2 9 w c m 2 ，质量含气率x = 0 0 9 4 。实验中发现当壁 面过热度dt 2 7 5 。c 时，沸腾机理为强 制对流沸腾。当z 0 2 时，h 与无关。因为三个大尺度关联式与实验结果符合 不好，于是提出了一个实验关联式，其中h 与b o 数、w e 数、液汽密度比相关 联。实验结果发现几何结构变化对换热性能无影响。 r a v i g u r u r a j a n t 2 0 l 对截面宽o 2 7 r a m 、深1 0 m m 的5 4 条平行矩形槽群进行了流 动沸腾实验研究。冷却工质为r 1 2 4 。体积流量为矿= 3 5 0 m l m i n 3 0 0 m l m i n ，加 热功率为p e = 2 0 w 3 0 0 w ，x = o o 5 。当z 0 时，h 随x 和壁面过热度的增加而 单调增加。 l e e 和l e e 2 1 1 对截面宽2 0 m m ，深分别为0 4 m m 、l m m 和2 m m 的3 条矩形 槽进行了实验。冷却工质为r 1 1 3 。c - = 5 0 k ( m 2 s ) 2 0 0 k ( m 2 s ) ，q = 0 1 5 w c m 2 ， x = 0 0 5 。实验发现沸腾形式为强制对流沸腾。当工0 1 5 时，h 随工的增加而 增加。他们建立了一个较低质量流速下( r e 。 2 0 0 ) ，采用了k a n d l i k a r t 2 2 】关联式。 w a r d e r 等【2 3 1 对水力直径为o 7 5 m m 的5 条平行矩形槽进行了实验，冷却工质 为f c 一8 4 。质量流速范围g = 5 5 7 k g ( m 2 s ) 1 6 0 0 k g ( m 2 s ) ，g = o 5 9 9 w c m 2 ，进 口温度= 2 6 ，4 0 * ( 2 和6 0 。当工o 时，h 随算的增加而减小。实验数据不 符合6 个经验关联式中的任何一个。他们对饱和流动沸腾提出了一个经验关联 式，h 关联了单相传热系数、b o 数以及蒸汽含气率。 q u 和m u d a w a r 1 8 1 对截面宽2 3 1 肛m 、深7 1 3 i m a 的2 1 条平行矩形微槽群进行 了水的流动沸腾实验研究。g = 1 3 5 k n ( m 2 s ) 4 0 2k n ( m 2 - s ) ，出口压力胁。r = 1 1 7 b a r ， 进口温度= 3 0 、6 0 。实验发现沸腾形式为强制对流沸腾。流型在x = 0 附近突 然转变为环状流。当x o 时，h 随x 的增加而单调减小。实验数据与1 1 个经验 关联式相比较，没有一个符合。他们对于饱和流动沸腾提出环状流模型，并考虑 了液滴夹带与沉积的关系，实验结果发现，h 与g 、b o 数、工质的特性及液滴 第1 章绪论 的夹带和沉积都有很大的关系。 从以上可以看出，微槽内流动沸腾的换热形式以强制对流沸腾为主。h 随x 的变化趋势还未有定论。对于质量流速g 一定时，h 随x 的增加而减小的情况， r a v i g u r u r a j a n 2 川将之归于气泡堵塞了槽道；w 枷d 2 3 】贝0 认为是气泡下的干涸所造 成的；而0 u 和m u d a w a r l l 8 1 认为是由于流型突然的转入环流使很多液滴进入汽芯， 然后又沉积在液膜上造成了液膜的增厚所造成的。 1 2 3 压降特性研究 微尺度流动沸腾研究的实际应用必定与输运能力有限的微泵结合在一起，因 此工质流经微槽道的压降成为研究者关心的主要设计问题之一；同时，微尺度流 动沸腾较高的换热系数也是在条件相同的情况下获得更好的热输运效应的保证。 在经验模型中，根据流体的动量方程，可以导出流道压降由三部分组成，即摩擦 压降、加速压降和重力压降。计算压降首先要选用适用的物理模型，两相流模型 一般有均相模型和分相模型两大类：所谓均相模型就是把两相介质看作均匀介 质，介质的参数取两相平均参数，然后再根据单相均匀介质建立两相流基本方程； 所谓分相模型就是把两相分成两种单相流动，介质参数分别取各自的介质参数。 1 采用均匀模型 b o w e r s 和m u d a w 一5 1 采用了均相流动模型，及厶卸0 0 3 ，其结果对于小槽及 微槽群的结果关联度在- i - 3 0 内。 2 采用分相流动模型及加速度项采用m a r t i n e l l i 空泡率关联式 l a z a r e k 和b l a c k 2 4 】对进口端加热，出e l 端绝热情况下的摩擦压降进行了测 试，利用了c o l l i e r l 2 5 】的关联式 巾乞叫+ 量+ 砉( 1 - 1 ) 其中：虼为两相摩擦压降修正因子，是l o c k h a r t m a r t i n e l l i 参数。发现c = 3 0 时与他们的结果相近。加速压降则是利用了m a r t i n e l l i 和n e l s o n s l 2 6 】得出的公式： 南= 叱旁譬一善要一髻 m z ， l 2 一 其中x 为干度；p 为密度，k m 3 ；g 为质量流速，k g ( m 2 s ) ；甜是空泡率。下标 i n 、o u t 分别表示迸口和出口，l 、g 分别表示液相和气相。墨。是经验常数，用它 微槽道内流动沸腾町视化实验研究与分析 区分不同的流动模型。 m o r i y a m a 和i n o u e t t j 韭行了r 1 1 3 在3 5 肛1 1 1 0 岬的窄圆环缝中的流动沸 腾实验，其摩擦压降利用了稍稍修改的c o l l i e r 的摩擦压降关联式，并证明了分 相流动模型适用于窄圆环缝的压降计算。 t 0 n 2 刀对微槽中的过冷沸腾压降做了详尽的研究，提出自己的关联式。当 空泡率较小时，应用了两相摩擦系数；观察到粗糙度对单相层流向紊流转变的效 r 应及乜为槽道长度，m ；d h 为水力直径，m ) 的效应也是显著的。 w 硎盯gr t 2 即对水力直径饥为0 7 5 m m ， 击= 4 。9 - 8 的水平放置的五条平行 矩形槽进行了测试，冷却工质为f c 8 2 。两相流压降d 脚利用分层流动模型计算， 空泡率口由l o c k h a r t 和m a r t i n e l l i 关联式给出，口= r l + o 2 8 x “” _ i ；并利用了 c o l l i e r 的关联式，其中c = 3 8 ：两相摩擦压降修正因子畋d 由m a r t i n e l l i n e l s o n 关联式【2 9 1 得到： 厂、 m 乙= m 纠手l1-x2)。(1-3) j t o 其中厂为摩擦因子；x 为干度。 3 采用分相模型及加速度项采用z i v i 的空泡率关联式 t r a n 等【3 对圆管、矩形槽内不同压力下r 1 3 4 a 、r 1 2 和r 1 1 3 的两相流动 压降进行了实验。对于不同的冷却工质都有两相流压降随质量流速及出口干度的 增加而增加。在实验结果的基础上提出了两相压降实验关联式。该压降关联式的 摩擦压降以c h i s h o l m ”1 的b 系数方法为基础，考虑了尺寸和表面张力的效应， 并引入c o r n w e l l 和k e w t 6 】提出的无量纲“限制系数”以代替b 系数；加速度压 降则由z i v i 的空泡率关联式确定。 r a v i g u r u r a j a n t 2 伽截面宽0 2 7 m a n 、深1 0 m m 的5 4 条平行矩形槽群r 1 2 4 的流 动沸腾压降特性的影响因素进行了研究。发现当换热系数很高时，质量流速对压 降的影响不大。而当壁面过热度升高时，换热系数随之下降，此时压降会急剧升 高，作者认为这可能是由于微通道内大量气泡产生的缘故。他同时发现热流密度 对压降的影响不是很明显，当质量流速较大时，压降随着热流密度的升高只有少 第1 章绪论 许的增加。实验还表明微通道形状对流动沸腾压降也有一定的影响。 l e e hj 和l e e s y t 2 1 1 对槽宽为2 0 r a m ，深o 4 m m 2 m m 的水平槽道进行了压 降和传热的研究，冷却工质为r 一1 1 3 ，并保持均匀热流密度为1 5 k w m 2 ，质量含 气率x = 0 1 5 o 7 5 ，质量流速的范围为g = 5 0 k g ( m 2 s ) 2 0 0 k g ( m l s l ，并在压降 实验数据的结果上建立了两相压降关联式；加速度压降： 2 去+ 揣h 去丽0 - x , f f 刮 m 4 ， 其中口代表空泡率；p 为密度，k g m 3 ；x 为干度。利用z i v i 的空泡率关联式。 摩擦压降利用了c o l l i e r 的关联式，并考虑了尺寸效应和质量流速的效应，从而 将r e 数引入c 的值中，取c = ( 6 1 8 5 1 0 2 ) l h 妒6 。 q uw 和m u d a w a ri t 2 0 1 对2 1 条平行的截面宽2 3 1 1 a m 、深7 1 3 9 m 的微槽群内 水的流动沸腾进行了压降研究，并提出了新的实验关联式。作者采用了分层模型 及z i v i 的空泡率关联式，利用了c o l l i e r 的关联式，并考虑了尺寸效应及质量流 速的效应，i i 女c = 2 1 l1 - e x p ( - 0 3 1 9 1 0 3 d h ) i ( o 0 0 4 1 8 g + 0 0 6 1 3 ) 。 综上所述，微槽道流动沸腾研究主要是对流型、压降、换热特性等进行实验 和可视化研究，并根据实验结果建立符合实验范围的关联式或理论模型。从现有 的研究来看，大部分的区域流型以环流为主，传热形式基本上是对流沸腾换热， 换热系数的变化与质量流速、质量含气率等关系密切；但与热流密度的关系不大。 实验中都观察到了微槽道内较大的压降，并且存在压降和温度的波动。 1 2 4 已有研究工作的不足 1 尺度的减小给实验件的加工和实验参数的精确测量带来困难，导致较大的实 验误差。 2 微尺度效应逐渐突出，通道横截面的几何形状对微尺度流动沸腾换热的影响 也很大，关于这些影响，现有文献较少探讨。 3 研究者多是在实验数据的基础上建立实验关联式，普适性较差，在不同实验 条件及实验情况下变化较大。 4 对于微槽流动沸腾中，h 随x 的增加而减小这种较为特殊的实验结果，各文 献说法不一，目前尚未有最终的解释。 微槽道内流动沸腾可视化实验研究与分析 5 对于微槽道内压力及温度波动尚且没有统一的解释，压力波动对流动特性和 传热性能的影响还没有完全了解。 1 3 本课题的目的和任务 本课题的主要目的是通过微槽道沸腾换热的可视化实验，观察自过冷沸腾到 换热恶化期间微槽内流型的变化情况；并测量这一过程中温度、压力等各参数， 然后计算分析不同工况下的换热特性和压降特性。结合流型的变化通过换热特性 和压降特性来揭示微槽道沸腾换热的机理，并与前人的结果进行比对，丰富微尺 度换热领域的研究。文章内容安排如下： 第2 章详细介绍了微槽道内流动沸腾研究的实验台的搭建及实验仪器的选 择，对搭建实验台时遇到的困难也指出一些，以备后续研究者参考。此外还介绍 了实验思路和实验原理，并结合实验原理，列出了后续计算中所需要的换热和压 降公式。 第3 章是微槽道内流动沸腾换热特性与可视化实验研究。经过测量和计算得 出实验数据，绘制换热特性随干度的变化曲线，根据流型来分析曲线走势的成因， 探讨其换热机理；并与前人结果进行比对。 第4 章是微槽道内流动沸腾压降特性研究。探讨压降与热流密度的关系，两 相摩擦压降修正因子靠与l m 参数x 的关系；并与前人结果进行比对。 第5 章是结论与展望部分，对本次实验结果进行总结，提出以后工作可能的 研究方向。 第2 章实验原理和方法 第2 章实验原理和方法 2 1 实验思路和原理 通过阅读文献了解前人的工作，我们总结出微槽道沸腾换热实验研究主要有 三大研究方向，即换热特性研究、压降特性研究和流型的可视化研究。因此本次 实验就是按照能够实现这三部分内容的要求来设计。由于实验为微槽道内的流动 沸腾，所以首先需要加热元件及配套设施给实验段加热，相应的辅助实验用品均 要考虑耐温耐压因素；此外，作为一个循环，有加热必然要考虑到冷却。泵作为 驱动源在循环过程中必不可少，由于微尺度的特殊性，要求泵有较好的恒流特性， 以排除人为压力波动的干扰。换热特性实验需要热电偶监测所需要的温度，压降 特性实验需要压力传感器测量进出口压力，进而得出压降。流量也是必需测量的 重要参数之，精确调整流量可以得到不同的工况。由于工况多，实验数据庞大， 所以测量出的数据需要数据采集仪采集，输入电脑后再遴选出研究所需要的数据 进行分析。以上所考虑的各部分可以集成到一个实验系统中。 可视化实验是另一套实验系统。可视化实验与换热和压降实验同时进行，保 证实验的统一性。可视化实验要求实验段必须可见，因此微槽道只能加工在基板 的表面，微槽道上面覆盖玻璃盖板。由于涉及到工质沸腾，温度和压力都比较高， 不能有工质的泄漏，所以钢板和薄玻璃板的紧密贴合成了棘手的问题。此外，高 速摄影仪对光线依赖较高，微尺度实验台本来就紧凑，冷光源的打光角度要调整 的很准才能得到高质量的高速录像。 整个实验的难点大多集中在可视化实验部分，实验件的钢板与薄玻璃盖板的 贴合是最难的一块，既要保证不对工质的流动产生影响，又要在相对高温高压的 环境下保证不能泄漏蒸汽甚至不能有工质渗向流道以外的地方。 实验系统中，工质被沿程加热，随着热流密度的增加，工质历经单相流、过 冷沸腾和饱和沸腾等阶段，流型不断变化，不同的流型会导致不同的换热效果， 本文就主要通过流型来分析换热和压降特性，探讨其换热机理。 2 2 微槽流动沸腾实验台 本实验的主要目的是研究水平放置的微槽道内水的流动沸腾换热机理，实验 内容包括换热特性、压降特性和可视化实验三部分。其中换热和压降实验是利用 微槽道内流动沸腾可视化实验研究与分析 热电偶和压力传感器通过数据采集系统，采集温度和压力信号进行分析计算。这 些信号通过数据采集系统专用软件，以波形图的形式在电脑上显示，每0 4 秒刷 新一次。通过波形图可以直观地观测温度和压力的走势和即时变化，并由此确定 稳定状态，以进行记录。 可视化实验中，高速摄影仪的镜头置于实验段f 上方，一侧有冷光源打入。 高速摄影仪同样通过数据线与电脑相连，微槽内水的流动沸腾状况被放大后可以 清楚地在电脑屏幕上进行观察，每一工况稳定后即进行拍摄。由于每一段高速摄 影录像都由8 0 0 0 余幅图片组成，达2 0 0 多兆字节，所以只能抓取其中有代表性 的数张图片，以点代面地显示微槽内工质的流动状况。 整个实验系统有8 个子系统构成： 1 除气系统：由储液灌和电加热器组成，储存循环使用的二次蒸馏水，并不间 断地对水加热除气。 2 冷却系统：把从储液灌内经加热除气的液体冷却。 3 输运系统：由恒流蠕动泵和流量计组成。驱动工质完成循环，并根据与之相 连的流量计来调整蠕动泵的转速，得到实验所需的流量。 4 预热系统：预热系统分为两级，首先是恒温水浴，其次是辅助电加热器，辅 助电加热器由小量程直流稳压电源和电阻丝组成。 5 加热系统：由大量程直流稳压电源和薄电阻加热片组成。 6 测量系统：实验段上的热电偶和压力传感器与数据采集仪相连，数据采集仪 与电脑相连；高精度电流表和电压表与加热系统中的大量程直流稳压电源相 连，可对电流和电压进行微调。 7 实验段：不锈钢板上刻出所需的槽道，覆以玻璃盖板。整体外层保温，通过 一对聚四氟乙烯联箱与进出