（热能工程专业论文）微细通道流动沸腾换热机理及实验研究.pdf

摘要 摘要 高热流密度换热设备的高效冷却问题，推动了微细通道流动沸腾研究的发展， 目前已有部分成果得以应用。微细通道内的流动传热异于常规尺寸管道，其流动 特性更加复杂，传热机理至今尚未定论，针对微细通道流动沸腾问题展开研究仍 是目前研究的热点之一。 本文建立了矩形微细通道流动沸腾实验台，加工了微细通道实验元件，完成 了宽度为0 5 2 0 m m ，压力介于0 1 2 - - - 0 1 5 m p a 范围内的流动沸腾实验，研究了通 道宽度s 、运行压力p 、工质流量g 、入口过冷度址及加热功率p 对微细通道流 动沸腾的影响，并进行了流动沸腾的可视化研究，对观察到的流型进行了定义和 探讨，分析了流型与系统压降及沸腾换热系数之间的关系，根据实验数据绘制了 竖直矩形微细通道内流动沸腾的流型图。 本文对v a ns t r a l e n 的核态沸腾模型进行修正，提出了计算流动沸腾总热流密 度的新方法，将流动沸腾换热区域分成气泡覆盖区和流体覆盖区两部分，并将生 成气泡的数量及气泡所占据的壁面面积作为加权，对总热流密度公式进行修正， 得到了沸腾换热系数与通道尺寸之间的关系式，分析了微细通道流动沸腾机理， 结果表明微细通道流动沸腾换热特性与气泡脱离指数刀有关，只有当该指数，l 1 时，随着通道尺寸的减小，沸腾传热系数才会呈增加趋势。 本文对实验数据进行了整理与统计，分析了影响过冷沸腾起始点的因素，绘 制了工质入口温度乞，体积流量g ，通道宽度j 及系统运行压力p 对过冷沸腾起始 热流密度q o 。v b 的影响关系图，对比了各影响因素所占的比重，拟合出微细通道内 过冷沸腾起始热流密度的计算式。本文对饱和沸腾进行了探讨，发现该换热区域 是以气泡的相变潜热为主要的传热方式，其传热过程与气泡生成频率、气泡脱 离直径仍以及通道宽度s 等有较大关系，拟合了饱和沸腾换热经验关系式。通过 上述分析，本文提出了在微细通道单侧面加热工况下，从加热面指向绝热面分为 气泡形成区、气泡生长区和气泡湮灭区三个区域，各区域边界受热流密度和工质 流速的共同影响而变化，这种变化也直接导致气泡的不同运动形态。 幸国家重点基础研究发展规划9 7 3 项目( 2 0 0 7 c b 2 0 6 9 0 0 ) 资助 山东大学博十学f ) = 论文 本文利用分相流模型对微细通道流动沸腾过程的压降问题进行处理，建立了 基于气相与液相的流速不相等及气液两相之间处于热力学平衡状态两个基本假设 的两相流总压降梯度表达式，深入分析了入口过冷度血，体积流量g ，通道宽度j 及系统运行压力p 对流动压降卸的影响，拟合出流动沸腾总压降关系式并与实验 结果进行了对比，表明该拟合关系式可以描述竖直微细通道内流动沸腾过程中的 压力降。 本文建立了多尺寸、不同流道形状的竖直矩形微细通道流动沸腾模型，采用 有限容积积分法对控制方程及计算区域进行离散化，选择s i m p l e r 方法求解压力 场和速度场，计算过程中对工质进行变物性处理，选用标准k s 模型进行湍流充 分发展区域的数值模拟，近壁面区域采用壁面函数法，并利用c f d 软件的u d f 功能进行了c 语言自编程以实现均质沸腾和非均质沸腾的数值计算，获得了微细 通道内气泡的形成、生长和脱离等运动规律，得到了气液两相压力场、速度场和 温度场的分布，分析了换热系数随气泡运动的关系，并将数值计算结果与实验数 据进行了对比且吻合良好，表明所建立的模型可以用来模拟竖直矩形微细通道中 的流动沸腾。由于微细通道流动沸腾对实验条件要求相对苛刻，许多极限条件下 的实验难于进行，该模型的建立可弥补宽广参数范围内的研究数据，在一定程度 上促进微细通道流动沸腾研究的进展。 两相流的流型对压降和传热均有很大影响，本文依据实验数据和数值模拟结 果，引入人工神经网络的方法实现气液两相流流型的识别。将压力、温度、截面 含气率、工质流速等参数作为神经网络的输入特征向量，经过归一化和无量纲化 处理之后输入到b p 神经网络和e l m a n 神经网络中，对微细通道流动沸腾气液两相 流流型进行识别，发现两种神经网络在流型识别方面具有较高的可靠性和准确度， 为改善和发展流型在线智能识别系统提供了支持。 关键词：微细通道，流动沸腾，换热机理，u d f ，变物性，神经网络 i i a b s 下r a c t 皇詈鼍! ! 曼詈曼曼皇! 鼍曼詈曼! ! ! 曼! ! 曼m i n i i i i i 一_ i ! ! 皇詈! 詈鼍曼! 鼍! 鼍 a b s t r a c t t h ee m e m e n c eo fh e a tt r a n s f e rd e v i c e sw i t hh i g hh e a tf l u xs t i m u l a t e st h e d e v e l o p m e n to fr e s e a r c ho nt h ef l o wb o i l i n gi nm i c r o m i n i c h a n n e l h o w e v e r , i ti sw e l l k n o w nt h a tt h e r ea r es o m ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h eh e a tt r a n s f e ri nm i c r o m i n i c h a n n e l a n dt h a ti nc o n v e n t i o n a ls c a l ec h a n n e l t h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c si nm i c r o m i n i c h a n n e l a r em o r ec o m p l e x a n dt h eh e a tt r a n s f e rm e c h a n i s mi ss t i l ln o tc l e a r t h e r e f o r e t oc a r r y o u tas t u d yf o c u s i n go nt h ef l o wb o i l i n gi nm i c r o m i n i c h a n n e la n dt oe l a r i f yt h ef l o w a n dh e a tt r a n s f e rm e c h a n i s ma r ee s s e n t i a lt og u i d et h er e s e a r c ha n dd e s i g no ft h e c o m p a c th i g hh e a tf l u xh e a tt r a n s f e rc o m p o n e n t s ar e c t a n g u l a rm i n i c h a n n e lf l o wb o i l i n ge x p e r i m e n tr i gw i t hs e l f - d e s i g n e da n d p r o c e s s e dt e s ts e c t i o ni se s t a b l i s h e di nt h i ss t u d y i n f l u e n c ec a u s e db yd i f f e r e n tc h a n n e l w i d t h s ，p r e s s u r e ，m a s sf l o wr a t e s ，i n l e ts u b c o o l i n ga n dh e a t i n gp o w e ro nt h ef l o w b o i l i n gi nm i n i c h a n n e la r ee x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e df o rc h a n n e lw i d t hf r o m0 5 m m t 02 0 m mu n d e rt h ep r e s s u r er a n g i n gf r o m0 12 m p at o0 15 m p a av i s u a l i z a t i o ns t u d y i sa l s oc o n d u c t e dt od e f i n ea n de x p l o r et h eo b s e r v e df l o wp a t t e r n s a n dt oa n a l y z et h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nf l o wp a t t e r n s a n ds y s t e mp r e s s u r ed r o pa n dh e a tt r a n s f e r c o e m c i e n t af l o wp a t t e r nm a pi so b t a i n e db a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ld a t a t h en u c l e a t eb o i l i n gt h e o r yo fv a ns t r a l e ni sa m e n d e di n t h ep r e s e n ts t u d v a n da m e t h o do fc o m p u t i n gt h et o t dh e a tf l u xo ff l o wb o i l i n gi sp r o p o s e df r o mt h e o r e t i c a l a n a l y s i s t h ef l o wb o i l i n gh e a tw a n s f e ra r e ai sd i v i d e di n t ob u b b l ec o v e r e da r e aa n d l i q u i dc o v e r e da r e a , a n dt h ew e i g h t e dp a r a m e t e r so ft h eb u b b l en u m b e ra n dt h eb u b b l e o c c u p i e dw a l la r e aa r ee m p l o y e dt oa m e n dt h ef o r m u l ao ft o t a lh e a tf l u x t h ea n a l y s i s o ff l o wb o i l i n gm e c h a n i s mi nm i n i c h a n n e lr e v e a l st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eb o i l i n g h e a tt r a n s f e rt o e ：f f i c i e n ta n dc h a n n e ls i z e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e r ei sn oa b s o l u t eh e a t t r a n s f e re n h a n c e m e n tw h e nu s i n gm i n i c h a n n e l ，b u td e p e n d i n go nt h ee x p o n e n tr e l a t e d w i t ht h eb u b b l ed e p a r t u r ed i a m e t e r o n l yw h e nt h ee x p o n e n tn ；，3 m m 细通道 2 0 0 a m 见 3 m m 微通道l o p m 绣 2 0 0 a m 山东大学博十学位论文 过渡性通道 0 1 , a m o h 1 0 , a m 过渡性微通道 l , a m o h 1 0 , a m 过渡性纳米通道 o 1 , a m d h 1 , a m 分子纳米通道 见0 1 , a m 根据上述分类标准，本文所进行的流动沸腾实验研究通道宽度介于0 5 2 0 m m 之间，属于细通道的范围；所进行的数值模拟研究通道宽度介于0 1 2 0 m m 之间， 属于微细通道的范围。 1 2 研究背景及意义 近二十年来，多相流体力学和多相传热学发展迅速。在热能、动力、化工、 核能、石油、冶金、制药、电子、航空航天、生物工程等领域均有重要应用。在 多相流研究中，流动沸腾尤为重要，很多行业的许多生产设备中都涉及到流动沸 腾换热工况，大至电站锅炉的沸腾管、化工精馏塔、蒸汽机车，小至m e m s 的冷 却无不与流动沸腾有关。 随着科技的发展，冷却散热设备呈现出微型化、紧凑化和高性能的突出特征。 在航空领域中，航天器内仪器、仪表、计算机等设备的高度集成化，造成舱内热 环境恶化，散热密度可高达1 0 6 1 0 7 w m 2 ；目前，商用核子反应堆的热功率已达 1 0 6 k w 以上，反应堆堆芯的热流密度则更高；电子技术的高速发展，使得超大规 模集成电路芯片中的热流密度甚至可达到1 0 7 w m 2 。一般来说，设备要维持正常工 作，其温度必须稳定在一定的范围之内，因此，如何在有限的空间内实现高热流 密度的冷却，成为保障系统稳定运行的关键。普通的空气冷却和单相受迫对流等 传热技术，设备体积比较庞大，单位空间的热流密度低，很难达到高效冷却的要 求，而微细通道沸腾换热装置既能传递大量的热量( 汽化潜热) 又可以保持液体温 度恒定，在增大换热量的同时并不提高换热器的运行温度，是解决设备“热障” 问题的一种非常有效途径【3 】。 另外，当前微细加工工艺的发展为研究和应用微细尺度换热设备提供了可能， 如定向蚀刻技术( o r i e n t a t i o n d e p e n d e n te t c h i n g ) 和无电镀层技术( e l e c t r o l e s sn i c k e l p l a t i n g ) 等加工工艺都曾成功的用以加工微细热界面；应用金刚石刀具的精密机床 2 第一章绪论 也曾用来加工各类薄膜上的微型通道，其精度达到了a m 量级，且可以承受较高的 压力，完全能够满足工程应用的要求p j 。 现代工业的蓬勃发展，迫切要求设计出高效紧凑式换热设备，以减小体积、 降低能耗、提高换热效率，工业应用中对换热部件体积的限制也变得更加苛刻， 减小换热器通道水力直径，是高效紧凑型换热器强化传热设计的基本途径之一。 微细通道沸腾气液两相流动换热装置结构紧凑，具有显著的强化换热效果，是一 种既经济又有效的强化传热方法。已有研究结果表明，微细通道中的沸腾换热效 果明显高于常规管道【4 羽。但是，当空间和时间尺度微细化后，会出现很多异于常 规尺度的物理现象，如微细通道内的摩擦阻力计算值与经典理论值的差距甚远， 微细通道强化换热特性与常规通道有所不同，层流向湍流转化的临界雷诺数发生 变化等许多方面。就目前的研究成果来看，微细通道内流动沸腾换热特性有别于 常规通道，但换热机理尚未明确，有些结论还相互矛盾，无法满足工程实际的需 要。因此，对微细通道内流动沸腾特性展开研究，便具有重要的现实意义。 1 3 国内外研究现状 近年来，国内外针对微细通道流动沸腾换热机理的研究越来越受重视，已有 许多有价值的研究成果出现。但因通道尺寸微细化之后，影响流动沸腾各因素的 相对重要性发生了变化，导致微细通道内的流动沸腾现象及气泡动力学特性均与 常规尺寸通道有很大不同。譬如，壁面相对粗糙度引起的流动压降显著上升，表 面张力的影响大于重力的影响等。纵观现有文献，对微细通道流动沸腾机理的探 索还比较有限，且不同作者的研究结论也不十分相符，有些结论甚至相反，因此， 有关微细通道内流动沸腾换热和气泡动力学特性的研究仍有待深入和细化。 1 3 1 国外研究现状 1 3 1 1 微细通道流动沸腾实验研究进展 e i s h l b a s h i 7 】等率先在多工作压力条件下，对多种工质在流道间隙艿介于 0 9 7 2 0 r a m 的竖直环缝流道内进行了饱和沸腾实验，结果发现如艿 2 7 5 时，换热系数几乎不随流量g 和干度x 的变化而改变，而只 与热流密度有关；当a t 0 2 时，换热系数才随干度呈递增趋势。 b o n j o u r 等【1 4 】则认为换热的强化或恶化与狭缝通道内的流动沸腾流型密切相 关，他们对水平狭窄空间内的自然流动沸腾换热进行了实验研究，所用通道高度 为1 2 0 m m ，窄缝间隙为0 5 2 0 m m ，结果观察到三种流型：核态沸腾的独立变形气 泡区，核态沸腾的聚合气泡区和局部干涸区。 4 第一章绪论 詈曼曼曼曼曼曼皇! 詈! 鼍曼曼曼! 曼| i一曼皇皇i i 鼍曼量! 鼍曼皇曼皇曼皇! ! ! 鼍曼皇曼! 曼鼍曼曼! ! 曼! ! 曼皇 s u n 等【1 5 】将最常用的十三种预测微细通道流动沸腾换热系数的关系式进行了 对比，涵盖了11 种流体工质，通道直径范围为o 2 1 6 0 5 m m 。结果显示c h e n 提出的 关联式对微细通道的适用性较差，对沸腾传热系数的预测准确度低；l a z a r e k b l a c k 关联式和k e w - c o m w e l l 关联式的预测准确性较高。通过引入韦伯数，该作者提出 了一种基于l a z a r e k b l a c k 关联式的预测流动沸腾换热系数的新方法。 关于微细通道流动沸腾的研究，还有许多学者做了大量工作，得出了不少有 价值的结论。t h i b i k i 等f 】6 】对直径为d = 1 0 2 r a m 的竖直微管内泡状流动进行了参数 的测量，通过图像处理的方法获得了轴向含气率、截面浓度、气相速度、气泡平 均直径和气泡密度等参数，表观液相速度的范围为1 0 2 m s - - 4 8 9 m s ，含气率范围是 0 9 8 - - 2 4 6 ，该作者在考虑摩擦压力降和流动转变的基础上，提出了分布参数和 漂移速度的本构方程，方程与实验结果的误差为6 7 6 ；b o w e r s 和m u d a w a r l l 刀 对水力直径现：0 5 1 m m ，2 5 4 r a m 的两种微细通道进行了研究，发现微细通道内的 流动沸腾换热特性与常规尺度通道有明显的差异；c o r r e 和y a o 等【| 8 】的研究表明， 当流体的沸腾发生在一维尺度很细的空间里时，流体的沸腾换热特性与池沸腾换 热特性不同，并与文献 1 9 ，2 0 1 的大空间池沸腾实验研究作了对比，发现低热流密度 下狭窄空间的换热性能成倍地提高，临界热流密度会随狭缝间隙的减小而降低； s u o 和g - 而f f i t h 2 1 】对直径d = 1 0 n u n 和1 6 m m 的细管内气液两相流进行了实验研究认 为，表面张力的作用远大于重力，许多有关微细通道气液两相流的研究 2 2 2 5 也 都表明，表面张力是影响微细通道两相流流型转变的重要因素。 1 3 1 2 微细通道流动沸腾数值研究进展 h a n 和o r i f f i t h 忽略微液层蒸发换热的影响，最早提出沸腾换热是由容积对流和 自然对流两部分组成的理论，h a i d e r 等总结了前人对核态沸腾换热机理模型的研究 成果，提出了包括微液层蒸发、气泡扰动、自然对流和容积对流四部分组成的复 合模型，对核态沸腾模型进行了完善【2 6 】。 k r u s t a l e vd 等【2 7 】通过数值的方法研究了平行细通道热管的最大传热能力，认 为增加单位宽度上平行细通道的数量能够有效提高流动沸腾传热系数，平行细通 道的宽度和深度存在一个最优值，可以通过优化设计，使其达到最佳传热效果。 j l i 和g p p e t e r s o n 2 8 对微细通道热沉内工质的三维流动进行了分析，硅片基 5 山东大学博十学位论文 板长度为1 0 r a m ，圆形微通道宽5 7 a m ，深1 8 0 a m ，文中将模型进行了简化，认为 流动模型是2 d ，传热模型为3 d ，研究发现流体的热物理特性能明显的影响热沉内 的流动和传热。 j l i 和g p p e t e r s o n 2 9 】还对硅基平行微通道热沉内的流动特性进行了三维数值 模拟，通过半规范的传热模型对微通道热沉进行几何优化，研究认为对应于0 0 5 w 的泵功，热沉内微通道宽度为6 0 a m ，深度为7 0 0 t m 时，其流动传热效果最佳。 g p p e t e r s o n 等【3 0 1 建立了三角形微通道内的一维环状流动数学模型，通过计算 机模拟获得了冷凝水沿微通道轴向的曲率半径变化规律，该文认为，较小的接触 角、较小的热流密度或较大的水力直径和蒸汽压力均会导致冷凝段长度的增加。 c h e n 等【3 1 】对带有轴向“q ”状微槽道的微型管内流动沸腾现象进行了研究， 建立了理论模型来分析热管的最大导热量，研究发现，在接触角口 6 0 0 时，气液 界面的剪切应力随着气相流通截面积的变化而改变；通道面积的减小不仅会增加 泵功，还会造成摩擦损失增大，经过优化的“q ”状微槽道不仅能够强化换热，还 可以减小流动损失。 1 3 1 3 微细通道内的流型可视化研究 f o k a n o 等3 2 1 是较早对各种流型进行综述的研究者，通过分析前人的研究结果， 确认了两相流动中存在泡状流、弹状流和环状流等流型，该作者还将不同流型之 间的转变准则与前人的流型图进行了比较，发现部分流型图的判别准确度较低。 c o m w e l l 和k e w 3 3 1 对r 一1 1 3 在水力直径d 为1 0 3 m m 和1 6 4 m m l 拘两种矩形细 通道中的流动沸腾现象进行了实验研究，通过可视化发现了泡状流、弹状流和环 状流三种流型，并通过计算认为在孤立气泡区的换热系数h 正比于热流密度9 0 7 。 k a s z a 等【3 4 】对于单气泡( s i n g l eb u b b l e ) 、气泡与气泡( b u b b l et ob u b b l e ) 间以及气 泡与气弹( b u b b l et os l u g ) 间的相互作用进行了分析，并得出了有意义的发现，气弹 与壁面之间被一层平均厚度为0 6 7 m m 的液膜隔离，在这层薄液膜内发现了成核现 象；气泡在液弹( 1 i q u i ds l u g ) d p 呈扁平状生长且覆盖了一个更大的壁面面积，气泡 下面的液体薄层内所发生的传热提高了总换热系数；另外，气泡生成与消失的频 率以及气体的容积都因薄液膜的存在而增加。 6 第一章绪论 t r i p l e t t 等对直径d = 1 1 m m ，1 4 5 m m 的水平细管和水力直径为q = 1 0 9 m m ， 1 4 9 m m 的三角形细通道内的气液两相流流型进行了研究，发现在两种截面通道内 都可以观察到泡状流、搅拌流、柱塞环状流和环状流等流型，研究表明现有的流 型判别关联式并不适用于微细通道内气液两相流，微细通道内气液两相流流型的 转变关系以及流型图还需在大量实验的基础上得以确定和发展。 c o l e m a n 和g a r i m e l l a e 3 6 j 也对水力直径q 为1 3 5 5 m m 的水平细管和水力直径 见- - - 5 3 6 m m l 勺矩形通道内气液两相流动进行了可视化研究，认为直径小于1 0 m m 的 细管内流动，管径和表面张力对流型的产生和转换起决定作用；另外，在矩形细 通道中，通道的高宽比是影响流型转换的重要因素。 h e s t r o n i 等【3 7 】对水在平行矩形微通道内的沸腾现象进行了实验研究，微通道水 力直径见为0 1 0 3 - , 0 1 2 9 m m ，发现存在单相流、泡状流和环状流的周期性变化。由 于壁面上存在极薄的液膜，在蒸干现象出现时，并没有引起壁面温度的急剧增加。 k a w a h a r a 等【3 8 】根据实验所观察到5 种流型出现的概率和时均空隙率的不同，定 义了弹状环状流( s l u g r i n gf l o w ) 、环状- 弹状流n g s l u gf l o w ) 、半- 环状流 ( s e m i a n n u l a rf l o w ) 和多相流等新流型；研究了压降和空隙率对流型转化的影响， 发现即使气体质量流速g 很高的时候，时均空隙率也很低，用均相流模型预测的 压降数值比实验数据大，而用分相流动模型得到的预测值与实验值的误差均在 1 0 之内。 p e h l i v a n 等【3 9 】对内径为8 0 0 朋的微细通道内的流动压力降进行了实验研究，得 出了与k a w a h a r a 不同的结论，发现实验结果与均相流模型( h o m o g e n e o u sm o d e l ) 、 奇斯霍姆模型( c h i s h o l mm o d e l ) 预测值的吻合度最高，并发现随着微通道直径的减 小，模型计算的压力降值与实验值的误差增大。 j “和g p p e t e r s o n t 4 0 1 对通道宽度为10 0 脚的平板铂金微细通道热沉处于脉 冲加热条件下的瞬态流动换热特性进行了可视化研究，重点分析1 l o o m s 时间范围 内的水沸腾起始点和气泡动力学特性；实验给定一个特定的脉冲宽度，在脉冲功 率较低的工况下，没有气泡成核现象出现；脉冲功率增大，在加热器的特定位置 7 山东大学博十学位论文 产生少量气泡，并出现气泡合并现象；而在高脉冲功率条件下，气泡合并加剧， 气泡运动速度加快，并出现泡沫状气泡，该文称这种现象为泡沫飞溅。 近年来，对于微细尺寸两相流动可视化的研究还发现，微细通道内的气液两 相流动特性与微重力条件下的常规尺寸通道内的流动特性相似，在这两个系统中， 惯性力、粘性力以及表面张力占主要地位，重力占次要地位，因此，微重力条件 下常规尺寸通道内的气液两相流流型图或许可以应用于微细通道内气液两相流动 特性的研究。 另外，还有许多学者的研究结果也有类似发现，在通道横截面近似于圆形的 通道中，当通道的水力直径小于或等于1 0 m m 时，表面张力对流型的影响大于重力 的影响，所观察到的流型和常规通道出现的流型大致相同【4 2 4 3 1 。但是不同研究所 得的实验数据往往差异较大，有些实验数据与经典的两相流流型图和半经验流型 转换判别式偏差较大m ，4 5 1 。 1 3 1 4 气液两相流流型的神经网络识别方法 微细通道沸腾气液两相流系统是一个高度非线性的耗散动力系统，其运动机 理十分复杂，因此至今仍然无法建立一个精确的数学模型加以描述。近年来，随 着计算机技术的发展，人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，a n n ) 方法迅速兴起， 提供了研究沸腾气液两相流流型的新思路和新方法。 e m b r e c h t s 等l 4 6 1 率先将k o h o n e n 神经网络用于管内气液两相流流型的识别，研 究结果表明采用压力波动信号的f o u r i e r 谱作为神经网络的输入特征参数，能够较 为准确的识别管内流动的所有流型。 m o n j i 等1 4 7 1 开展了管内气液两相流流型的研究，将含气率波动信号的均方根、 峰度和斜度作为网络输入特征向量，对两相流流型进行识别，达到了9 1 的识别准 确度，但在流型转变区的部分样本出现了误识别。 m i 和i s h i i l 4 8 】利用气液两相含气率波动信号的均方根和方差作为神经网络的输 入特征参数，分别利用自组织映射网络和b p ( b a e kp r o p a g a t i o n ) 神经网络对两相流 流型进行识别，取得了良好的识别效果，但气液两相含气率的测量和获取十分困 难，将含气率作为分析信号，限制了所提出方法的使用范围。 t a t i a n at a m b o u r a t z i s 等【4 9 】采用回归型人工神经网络来识别沸水反应堆冷却剂 第一章绪论 通道内发生的两相流动，通过该网络将由放射照相技术导出的图形特征进行识别： 该文认为，在训练完成前对输入模式进行反聚类，可以使网络尺寸及训练测试时 间减少8 0 ，并通过交叉验证测试，证实本网络可用于准确的在线流型识别。 c e s a rm t r q u e ss a l g a d o 等【5 0 】提出了一种预测水气油多相流系统流型和体积分 数的新方法，该方法基于y 射线脉冲高度分布，通过神经网络的方法进行多相流流 型的识别，避免了因参数测量误差引起的流型识别误差。 1 3 2 国内研究现状 相比国外，国内的流动沸腾传热及气泡动力学的研究均起步较晚，研究的深 度及广度同国际相比还有较大差距。但经过我国学者近二十年的努力，也出现了 多个出色的研究团队及研究者，其研究成果具有较高的参考价值。清华大学的王 补宣、彭晓峰团队，西安交通大学的林宗虎团队，哈尔滨工程大学的阎昌琪团队， 重庆大学的潘良明团队等，在微细通道沸腾气液两相流方面均有较多成果发表。 东北电力大学的周云龙团队在神经网络流型识别方面走在了国内研究者的前列。 1 3 2 1 微细通道流动沸腾实验研究进展 童明伟等刚最早利用在热虹吸管蒸发段内插入多孔管的方法，构成间隙为 1 o m m 的流道，使管道沸腾换热系数提高1 3 倍，可算作我国微细通道沸腾换热研 究的开始。 姜培学【5 2 】对微细尺度换热设备产生的背景、研究现状及存在的问题进行了综 述，经过分析发现部分用气体所做的实验研究，可能会由于速度滑移和温度跳跃 引起阻力系数减小和传热性能减弱，从而导致研究结果的不准确：该文还对微细 通道和多孔介质的强化传热效果进行比较，发现多孔介质的传热强化效果更好， 但同时压力损失也更大。 王补宣和彭晓峰1 5 3 ，5 卅在微细通道单相流动和沸腾两相流动换热特性的研究方 面做了大量的工作，研究发现微细通道的几何尺寸对其流动和传热有着重要的影 响，影响因素包括通道的高宽比、水力直径、流体的物性等；此外他们还分析了 几种不同的相变与沸腾传热现象，发现液体流动的空间尺度对相变与沸腾形态有 重要影响，由此提出了液体内部气化的“气化空间”与“拟沸腾 两个全新的概 念，并研究了微细通道内液体沸腾的流动阻力特性。 9 山东大学博十学何论文 潘良明等【5 5 5 6 】较系统地研究了有压模化介质在垂直矩形窄缝流道内的过冷流 动沸腾现象，考察了质量流速、断面平均过冷度和压力对沸腾换热系数的影响， 经过与g u n g o r 关系式进行比较，认为窄缝流道的换热强化因子在1 3 2 1 之间，并 通过高速摄像的方法研究气泡形态和传热特性，认为通道尺寸的减小造成气泡形 状的改变，增强了壁面附近的扰动，强化了传热。 王际辉等【5 7 】以去离子水为工质，对截面尺寸为0 4 m m x 0 4 m m l 拘水平布置不锈 钢矩形微槽内的流动沸腾进行实验研究，质量流速g 范围为6 2 5 1 8 7 5 k g ( m 2 s ) ， 进口温度分别为3 0 * ( 2 、4 5 、6 0 ，实验结果表明，在较低干度下，换热系数随 着干度的增加而增加；干度较大时，换热系数保持不变直至换热恶化；质量流速 的增加使换热系数有较大增加，进口温度的变化对换热系数几乎没有影响。 杨晓强等【5 8 】也以去离子水为工质，在1 晰0 m p a t 作压力范围内，对大宽高 比( 1 0 x 6 0 m m 、1 8 x 6 0 m m 、2 5 x 6 0 m m ) 矩形狭窄通道内的流动沸腾换热特性进行 了实验研究，分析了压力、窄缝间隙、热流密度、质量流量、含气率等参数对矩 形窄缝通道内水流动沸腾的影响，得到了矩形窄缝通道内沸腾换热经验关系式， 与实验数据符合良好。 沸腾产生的气泡扰动一直被认为是影响换热的重要因素【5 9 1 ，但孙中宁等6 0 ，6 1 】 根据水在狭窄环隙内的流动沸腾实验结果指出，气泡扰动所引起的紊流度增加而 导致的对流换热强化作用是有限的，该文认为气泡运动的最大作用是引起强烈的 两相流动，形成良好的水循环。 l i 和w u l 6 2 】总结了前人关于流动沸腾判别准则数的文献，提出使用沸腾数曰d 和雷诺数船的组合关系b o x r e0 5 = 2 0 0 作为判定流动是否是微细尺度流动的准 则。该作者将此关系式用于对4 2 2 8 组实验数据的判定，发现6 1 6 的数据误差在 4 - 3 0 之内，有8 6 3 的数据误差在4 - 5 0 之内，并将判定结果与l a z e r e k b l a c k 关 系式的预测结果进行了对比，认为本准则关系式在实验范围内是可用的。 胡自成和马虎根【6 3 j 对微圆管内非共沸混合工质r 3 2 r 1 3 4 a 的流动沸腾压降进 行了实验，同时可视化观察了微圆管出口处的气泡行为，结果表明：流动沸腾压 力降随热流密度、干度和流量的增加而增大；相同实验条件下，微圆管流动沸腾 压力降远远大于常规管道；综合考虑流动压降和换热，微圆管存在最佳通道结构， 1 0 第一章绪论 使其换热经济性最好。 罗小平【删针对微槽流动相变传热进行了研究，提出了微槽道内气泡运动过程 中半径变化的系综公式，得出了微槽内气泡生长系统的势能及概率密度函数随半 径的演化规律，从理论上获得了以核态沸腾为主的微槽相变传热计算公式，并对 2 3 条水力直径见= 0 5 2 m m 的平行微槽道进行了相变传热实验，理论计算值与实验 结果的误差小于7 。 罗小平等【6 5 】还对矩形微槽中的流动沸腾临界热流密度进行了实验研究，分析 了临界热流密度随质量流速、进口过冷度和出口干度的增加而出现的变化趋势以 及槽道尺寸对临界热流密度的影响，认为临界热流密度随着质量流速的增加而增 大，进口过冷度对临界热流密度几乎没有影响，出口临界热力学干度与临界热流 密度的关系不具有很强的规律性，通道尺寸的变小会引起临界热流密度的减小； 该作者提出了一个适用于微槽道饱和沸腾临界热流密度的预测模型，并通过与实 验数据进行对比，验证了该模型的适用性。 陈钢和郑平等惭】对脉冲加热条件下微尺度表面流动沸腾现象展开研究，该文 在梯形微通道内布置6 0 t mx1 0 0 t m 的铂微加热器提供脉冲加热，采用高速摄像的 方法观察并记录微加热器表面的流动沸腾现象。结果发现，在质量流量确定的条 件下，核态沸腾向膜态沸腾的转变是随着加热热流的增加而进行的，工质流速的 增加，会延缓流型之间的转变。 姜茂和白博峰【6 7 】针对水在竖直矩形通道内流动沸腾的空穴核化机理进行了实 验研究，通过对比发现，湿润性能良好表面的成核现象更为持续稳定，空穴成核 过程中所形成的低过热区域的厚度大于气泡直径，其影响因子在1 3 1 8 范围内变 化；通过对微液膜蒸发模型进行分析，认为活化核心处的液膜厚度最小，热流密 度最大；主流速度促进了气泡的脱离，致使主流对流冷却作用增强。 黄卫星等删进行了矩形微细通道内流动沸腾压力降的实验研究，通道水力直 径n = 0 81 m m ，通道长度为3 3 0 m m 。研究认为，流动沸腾总压力降随着质量流速 和出口干度的增加而增大；该文以实验数据为基础，拟合了微细通道流动沸腾摩 擦系数关联式，并将关联式的预测值与实验数据进行了对比，吻合较好。 山东大学博+ 学位论文 此外，关于微细通道内的流动摩擦压降的研究也是近年来研究者探索的热点。 苏顺玉等【6 9 j 以蒸馏水为工质对环状细通道内的流动沸腾进行了实验研究，给出了 计算摩擦压降的经验关系式，实验数据与经验关系式计算结果的误差约为1 5 ， 同时该文还给出了计算流动沸腾传热系数的经验关系式，实验数据与经验关系式 计算结果的误差在1 7 1 3o a 之间。魏文建等删将现有微细通道流动沸腾压降关 联式的预测值与6 3 4 m m 和2 5 0 m m 细管内的流动沸腾实验数据进行了对比分析，发 现其对6 3 4 m m 换热管的适用性明显高于2 5 0 m m 的换热管，相对而言，z u r c h e r 修正 的k a t t a n - t h o m e f a v r a t 模型对于6 3 4 m m 换热管适用性最好，该关联式8 0 的预测 值与实验数据点的偏差在3 0 内，但对于2 5 0 m m 的换热管只有4 0 的数据点偏 差在3 0 之内。 张鹏和王如竹等【7 1 】对微细通道流动沸腾研究进展进行了综述，认为以后的研 究工作要从以下几个方面开展；对于微细通道流动沸腾换热机理的研究，还需要 进一步从多参数测量等方面来确定核态沸腾和对流蒸发的相互关系；现有的微细 通道流动沸腾换热模型和关联式，大多是根据常规通道的研究结果进行修正而得 到的，并没有充分考虑微细通道内流型转变的新特点；微细通道内的两相流不稳 定现象变化频繁，形式丰富，因气泡运动带来的不稳定性以及与整个系统有关的 长周期大振幅的波动等现象仍需要大量的实验研究。 1 3 2 2 微细通道流动沸腾数值研究进展 随着计算机技术的迅速发展，微细通道流动和传热问题的数值解法已经成为 科学研究的重要工具。近些年来，我国传热学工作者在微细通道流动传热的数值 算法方面，取得了一些令人瞩目的成果。 龙恩深等【7 2 】建立了水平窄空间沸腾换热的数理模型，认为窄空间只有在间距 小于气泡脱离直径时，对沸腾传热强化才有比较显著的效果；该文指出窄空间沸 腾强化传热的机理在于较大的泡底微层加速了蒸发传热，并且加快了窄空间中被 加热液体与池液进行周期性容积交换的频率；其在对圆形水平窄空间的沸腾传热 的现象和机理进行分析的基础上，提出了窄空间沸腾换热的数理模型；进而从理 论上对窄空间沸腾的本质规律进行了初步探索，并得到分析解；理论计算结果与 实验数据比较表明，该分析解适合于中低壁面过热度的情形，由于问题的复杂性， 1 2 第一章绪论 该模型仍需不断完善。 易杰【7 3 1 对微细通道建立了简化的两相流边界层模型，用于计算细管内气一饱和 水环状两相流的蒸发换热特性，证明了与气液界面摩擦力相比，气液表面张力、 重力和惯性力对微细管内流动换热的影响可以忽略，其在对细管进行定义时，不 仅考虑到尺寸的大小，还包涵了流动形式等因素，发现细管内气液环状两相流的 强化换热机理在于壁面薄液膜的蒸发，而且液膜越薄换热性能越强；论文提出了 一个修正的半理论关系式来预测细管内气一饱和水环状两相流的蒸发换热特性，研 究结果表明细管内气一饱和水环状两相流的换热系数要比单相空气紊流高出一到 两个数量级。 何川等【7 4 】提出了利用界面质点标记法与局部网格加密法相结合的方法来模拟 界面移动，并对窄缝流道内流动沸腾时，加热面上气泡的生长进行了数值模拟验 证，模拟结果与实验结果吻合较好，误差均在8 6 以内，该模拟方法可以较准 确地对有相变的界面移动问题进行数值模拟。 梁祥飞等【7 5 l 对竖直矩形窄缝内的气液分相流动区提出一维两相同向分相流动 沸腾传热模型，并进行了数值计算，得到不同质量流速条件下液膜厚度分布和沸 腾传热系数的解析解，将沸腾传热系数的模型预测值与已有实验关联式进行了比 较，偏差在1 4 以内，从而证实了液膜导热是竖直矩形窄缝内气液分相流动区域 沸腾传热的主要方式。 蒲鹏飞等【7 6 1 对竖直矩形狭缝通道内有液滴卷吸环状流阶段流动沸腾进行分 析，以液膜紊流的动量方程和能量方程为基础，加上相应的边界条件使控制方程 组封闭，建立了环状流的教学模型并进行数值计算，得到了矩形狭缝通道内的液 膜厚度分布和沸腾传热系数等结果，将模型预测的换热系数同实验关系式作比较， 最大相对误差为1 7 8 。 曾建邦等【7 7 】提出了一种新的描述气液相变过程的格子b o l t z m a n n n 论模型，并 利用该模型对液化和蒸发过程进行了模拟；对液化过程的计算结果表明，气相的 体积分数、液相和气相的密度与理论解的最大相对误差分别为1 1 8 、0 2 3 、 0 3 2 ，而蒸发过程的计算结果相应的最大相对误差分别为0 0 8 、0 4 8 、0 2 0 ， 该结论较前人研究的结果更接近理论解；为进一步验证该模型模拟复杂相变问题 山东大学博+ 学何论文 鲁暑曼! 曼詈曼鼍曼皇皇i i i i i , 皇曼曼皇曼皇皇詈皇詈皇曼葛皇皇曼鼍曼曼鼍鼍詈曼鼍鼍 的可行性，利用该模型对池内沸腾和垂直管道中的流动沸腾现象进行了模拟，观 察到气泡随时间变化不断长大，气泡受浮升力的影响脱离壁面，以及气泡在液相 中上升时发生碰撞、聚合等现象，但该相变模型是在系统等温的前提条件下建立 的，并未考虑能量方程。 1 3 2 3 微细通道内的流型可视化研究 微细通道流动沸腾过程中，换热系数的变化与流型转变是密不可分的。传统 的流型识别方法主要有两种：一种是人为肉眼观察的方法；另一种是利用已有的 流型转变准则或流型图判断的方法。随着技术的进步，精密成像技术已应用于工 程研究领域，使得借助比人为肉眼观察精确得多的可视化技术研究流动规律成为 可能，可以帮助研究者更加直观的认识气泡的形成、运动以及局部蒸干等现象。 c h e n 等【7 8 】较早进行了玻璃管内流动沸腾的可视化研究，玻璃毛细管的直径为 2 0 r a m ，壁厚为0 2 5 - - 0 3 m m ，管长为1 1 3 11 8 m m ，实验过程可以观察到四种两相 流基本流型：液体喷射流、弹状流、悬挂液柱和环状流。 l e e 等【7 9 1 也报道了装有吸液芯的细型两相闭式热虹吸管的流动及传热性能的 可视化实验研究，实验所用的热虹吸管内径d 为1 6 m m ，吸液芯直径d 为 o 4 1 5 m m ，该文认为，对于由很细的直径( d 2 3 m m ) 做成