（工程热物理专业论文）微小型热管的传热特性及蒸发薄液膜的研究.pdf

皇里型堂堡查奎堂堕主堂垡笙壅! ! ! 塑! 堕亘壹 微小型热管的传热特性 及蒸发薄液膜的研究 摘要 微小空问的相变传热问题是随着电子器件，如电子计算机芯片的微小型化而 提出的一个研究课题。 由于利用工作介质巨大的相变潜热进行换热，获得的传热能力很强，相变传 热过程在传统的工业领域和现代高新科技中得到了广泛应用。同时，相变过程中 工质温度保持恒定，相变过程可以在小温差下发生，这对于需要稳定的温度环境 的场合有着重要意义。随着微电子微机械技术的发展成熟，很多利用相变过程进 行散热的器件，如电子线路、大规模集成电路、空间设备、半导体器件等逐渐微 小型化，同时它们工作时产生的热流密度大大增加，对散热元件提出了新的要求， 如元件本身尺寸的微细化和传热能力的提高，以及元件的热响应性能的改善等。 此时，散热元件中的相变过程将在微小空间中发生。 微小型热管是利用工作介质在微小空间中的相变过程实现热量传递的一种 高效传热元件，它的设计和优化能够解决上述微小电子器件的散热问题，为器件 提供稳定的工作环境。 微小空间相变传热中的蒸发薄液膜，其局部换热系数比其他部分高2 3 个 数量级，并且出于总体换热面积的减小，薄液膜部分的相对重要性大大增加，它 对整个系统的工作性能影响非常显著。 本文对在给定的加热条件下，在光学表面上形成的稳定的蒸发薄液膜，测定 了其厚度分布、液膜的蒸发传热量和固体基板的温度分布，由此分析了薄液膜的 蒸发特性及其影响因素，实验工作对蒸发薄液膜换热特性的理论研究有指导意 义。由于微小空间的蒸发薄液膜在汽一液界面进行传热传质的过程中，其界面形 态容易因外界的动力学、热力学条件而出现不稳定现象，本文对处于重力场中的 微小空间内的加热表面上形成的蒸发薄液膜的稳定性特性进行理论研究。分析蒸 发过程中液膜厚度随时间的变化规律，并以此判断其稳定性特性，以及影响界面 稳定性的各种因素。 本文对具有不同材料、结构的微小型多槽道平板热管的传热特性进行了实验 研究，得到其传热性能和启动特性：并分析热管真空度、工作倾角、冷却方式、 热管充液率、槽道结构等多种因素对热管性能的影响；探讨热管最佳充液率范围 和能提高热管性能的槽道结构，为热管的设计和改进提供依据。针对矩形槽道微 t 中国科学技术大学博士学位论文 ( 2 0 0 3 )张丽春 小型平板热管实验件内部的流动和传热过程，本文首先建立了简化的轴向维模 型，分析等热流加热条件下热管的传热性能和传热能力；结合考虑热管管壁的轴 向导热以及热管充液量和内部工质分布之间的匹配，得到液膜厚度和弯月面沿轴 向的分布、液体和蒸汽压力以及汽一液界面弯月面半径沿轴向的变化；通过计算 得到热管外壁面温度分布和热管的传热性能，计算结果与实验的符合较好。随后， 利用薄液膜理论，在一维分析模型的基础上对热管槽道截面上的薄液膜进行研 究，得到其厚度分布和传热特性。并在槽道截面上利用热传导方程和相关边界条 件得到热管管壁和液体内部的温度场。计算结果与实验数据进行了比较，所得结 果比一维模型有一定程度的改善。因而不仅完善了以前的模型，而且可利用理论 分析提供更多有用的信息。 本文受到国家自然基金项目资助( 资助号：5 9 9 9 5 5 5 0 4 ) 。 关键词：微小空间相变传热微小型热管蒸发薄液膜稳定性 一一! 旦型堂垫查盔堂堕堂垡笙塞! ! ! ! ! ! ! ! 盟壹 f l 气tm i n i a t u r ea x i a l l yg r o o v e dh e a t p i p e s a n dt h em i c r o s c a l ee v a p o r a t i v e t h i n l i q u i df i l m s a ne x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a l s t u d y a b s t r a c t t h ei n v e s t i g a t i o no np h a s e - c h a n g eh e a tt r a n s f e ri nm i c r o s c a l e s p a c eh a sb e e n c a r r y i n go u tw i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h em i c r o m i n i a t u r ee l e c t r o n i cd e v i c e s ，s u c ha s c p ua n do t h e rs e m i c o n d u c t o ra p p a r a t u s s i n c et h ep h a s e c h a n g eh e a tt r a n s f e ru t i l i z e st h el a t e n th e a to ft h ew o r k i n g f l u i d s ， i t sh e a tt r a n s f e re f f i c i e n c yi s v e r yh i g ha n di t i s w i d e l yu s e di nm a n yi n d u s t r i a la n d e n g i n e e r i n gp r o c e s s e s t h ep h a s e c h a n g eh e a tt r a n s f e ro c c u r sw i t hs m a l lt e m p e r a t u r e g r a d i e n tb e c a u s et h et e m p e r a t u r eo fw o r k i n gf l u i di sc o n s t a n td u r i n gp h a s e c h a n g e p r o c e s s ，s oi t i sm o s ts i g n i f i c a n tt ot h ea p p l i c a t i o n st h a tn e e ds t a b l ea n du n i f o r m t e m p e r a t u r ew o r k i n ge n v i r o n m e n t w i t h t h e p r o g r e s s o fm i c r oe l e c t r o n i ca n d m e c h a n i c a lt e c h n o l o g i e s ，m a n yd e v i c e su s i n gt h ep h a s e - c h a n g eh e a tt r a n s f e rp r o c e s s t od i s s i p a t eh e a t ，s u c ha sl s i c ( l a r g es c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t s ) ，d e v i c e si ns p a c e c r a f t ， s e m i - c o n d u c t o r s ，e t c a r eb e c o m i n gs m a l l e ra n ds m a l l e r a tt h es a m et i m e ，t h e y d i s s i p a t eh e a tw i t hh i g h e rf l u x t h e i rd e v e l o p m e n t sd e m a n dc o o l i n gd e v i c e st ob e m o r em i n i a t u r ea n dt ow o r kw i t hb e t t e rt h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha sh i g h e rh e a t t r a n s f e r c a p a b i l i t y a n db e t t e rt h e r m a l r e s p o n s e t h ep h a s e c h a n g e h e a tt r a n s f e r p r o c e s sw i l lo c c u r i nm i c r o - s c a l es p a c ef o rt h e s ea p p l i c a t i o n s t h em h p s ( m i c r o m i n i a t u r eh e a tp i p e ) a r eh i g h l ye f f i c i e n th e a tt r a n s f e rd e v i c e s t h a tu t i l i z et h ep h a s e c h a n g eh e a tt r a n s f e ro ft h ew o r k i n gf l u i d si nm i c r o - s c a l es p a c e t h ed e s i g na n do p t i m i z a t i o no fm h pc a ns o l v et h ec o o l i n gp r o b l e m so ft h ea b o v e - m e n t i o n e dm i c r oe l e c t r o n i cd e v i c e sa n dp r o v i d et h e ms u i t a b l ew o r k i n ge n v i r o n m e n t t h ee v a p o r a t i v et h i nl i q u i df i l md u r i n gt h ep h a s e c h a n g eh e a tt r a n s f e ro c c u r r i n g i nm i c r os c a l es p a c eh a sl o c a lh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t1 0 0 1 0 0 0t i m e sh i g h e rt h a n t h o s ei no t h e rp a r t s w i t ht h ed e c r e a s ei no v e r a l lh e a tt r a n s f e ra r e a ，t h et h i nf i l mh a s r e l a t i v e l yl a r g e a r e aa n di t s i g n i f i c a n t l y i n f l u e n c e st h ep h a s e - c h a n g eh e a tt r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c s e x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t o ft h et h i c k n e s so ft h es t a b l ee v a p o r a t i v et h i nl i q u i d f i l mf o r m e do nt h eh e a t e do p t i c a ls u r f a c eh a sb e e nd o n e t h ee 翠p e r i m e n t sa l s oo b t a i n t h e e v a p o r a t i v e h e a tt r a n s f e r r e da n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no ft h es o l i db a s et o i n v e s t i g a t et h ee v a p o r a t i v eh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c sa n d i t si n f l u e n c i n gf a c t o r s t h e e x p e r i m e n ti ss i g n i f i c a n t t ot h et h e o r e t i c a li n v e s t i g a t i o no f e v a p o r a t i v et h i nf i l m t h ee v a p o r a t i v et h i nl i q u i df i l mm a yb e c o m eu n s t a b l ed u r i n gt h eh e a ta n dm a s s i l l 中国科学技术大学博士学位论文( 2 0 0 3 )张丽春 t r a n s f e rp r o c e s s e sa tt h el i q u i d v a p o ri n t e r f a c ed u et ot h eo u t s i d ef l u i d i cd y n a m i co r t h e r m o d y n a m i cc o n d i t i o n s t h es t a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c so fm i c r os c a l e e v a p o r a t i v e t h i n l i q u i d f i l mf o r m e do nt h eh e a t e ds u r f a c e i nt h e g r a v i t yf i e l di st h e o r e t i c a l l v i n v e s t i g a t e d t h ee v o l u t i o nt r e n do ft h ef i l mt h i c k n e s si so b t a i n e dt oa n a l v z ei t s s t a b i l i t yc h a r a c t e r f s t i c sa n dt h ee f f e c t so fi t si n f l u e n c i n gf a c t o r s e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n so nt h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef m h p sr f l a t m i n i a t u r eh e a t p i p e ) w i t hd i f f e r e n tm a t e r i a l sa n dg r o o v es t r u c t u r e sh a v eb e e nc a r r i e d o u tt h e i rt h e r m a lp e r f o r m a n c ea n d s t a r t u pc h a r a c t e r i s t i c sa r eo b t a i n e da n dt h ee f f e c t s o ft h ed e g r e eo fv a c u u mi nt h eh e a tp i p e ，i n c l i n a t i o n ，c o o l i n gm e t h o do f t h ec o n d e n s e r c h a r g er a t i o a n dg r o o v es t r u c t u r e sa r ea n a l y z e dt h ei n v e s t i g a t i o nh a so b t a i n e dt h e r a n g eo fo p t i m u mc h a r g er a t i oa n db e t t e rg r o o v es t r u c t u r eo f t h ef m h pa n di to f f e r s n e c e s s a r ye x p e r i m e n t a ld a t aa n dg u i d e t ot h ea p p l i c a t i o no ff m h p a s i m p l i f i e d1 一d i m e n s i o n a lt h e o r e t i c a lm o d e l h a sb e e ns e t u pt os i m u l a t et h ef l o w a n dh e a tt r a n s f e rp r o c e s s e si nt h em i n i a t u r eh e a tp i p ew i t hr e c t a n g u l a rg r o o v e s t h e t h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h eh e a tp i p eu n d e ru n i f o r mh e a tf l u x i n p u ta r ea n a l y z e d t h em o d e ls o l v e st h ea x i a ld i s t r i b u t i o no f t h el i q u i df i l mt h i c k n e s s t h ea x i a lp r o f i l eo f t h em e n i s c u sr a d i u so ft h el i q u i d v a p o ri n t e r f a c ea n dt h ep r e s s u r e so ft h el i q u i da n d v a p o r i ti n d u d e st h eh e a tc o n d u c t i o n o ft h eo u t e rw a l 】o ft h eh e a tp i p ea n dt h em a t c h o fc i r c u l a t i n g w o r k i n gf l u i d w i t ht h et o t a lw o r k i n gf l u i dc h a r g e d t h ea n a l y t i c a l r e s u l t sc o i n c i d ew i mt h ee x p e r i m e n t a ld a t aq u i t ew e l l b a s e do nt h i s1 一dm o d e la n d t h e o r i e so fe v a p o r a t i v et h i nl i q u i df i l m ，ar e v i s e dm o d e lh a sb e e nd e v e l o p e dw i t ht h e a n a l y s i s o ft h el i q u i df i l mf o r m e do nt h ew a l lo ft h eg r o o v e si nt h ef m h pt h e t h i c k n e s sa n dh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c s t h e2 - d i m e n s i o n a lt e m p e r a t u r ef i e l da r e s o l v e dw i t ht h ec o n t r o l l i n ge q u a t i o n so ft h et h i nf i l ma n dh e a tc o n d u c t i o ne q u a t i o n w i t hi t sb o u n d a r yc o n d i t i o n so nt h ec r o s ss e c t i o n a l s ot h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sa c c o r d w i t he x p e r i m e n t a ld a t aw i t hi m p r o v e m e n to nt h ea b o v e1 一dm o d e l s ot h em o d e l i n c l u d i n ga n a l y s i so nt h i nl i q u i df i l m i sb e t t e rt h a ne a r l i e ro n e sa n dm o r eu s e f u l r e s u l t sc a nb eo b t a i n e d t h i sw o r ki s f i n a n c i a l l ys u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a l s c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( n o 5 9 9 9 5 5 5 0 _ 4 、 k e y w o r d s ：m i c r o s c a l es p a c e ，p h a s e - c h a n g eh e a tt r a n s f e r , m i c r o m i n i a t u r eh e a t p i p e ，e v a p o r a t i v e t h i nl i q u i df i l m ，s t a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c s i v 中国科学技术大学博士学位论文( 2 0 0 3 )张丽春 第一章绪论 l 。1 微小空闻鲍提变传热裁微，l 、型热管 出于利用工作食质的汽波相变漤热可大幅度强优铸热过程，裙交传热被广泛 地应用予动力、化工、制冷空调及食是工业等领域。固对，在摆变过程中，王作 介质的温度保持恒定，这一过程可以在很小的漫菱下发生，对于豢要温发均匀霹 稳定的工作环境的场合，有饕突出的优势和意义。 随着微电子技术的发展和m e m s ( m i c r oe l e c t r o n i ca n dm e c h a n i c a ls y s t e m ) 技术的成熟，很多利用相变过程进行教热的器件，如电子线路、大舰模超大规 模集成电路、空间飞行器的器件、半导体器件等，逐渐小型化：由于其工作时产 生的热流密度大大增加，对散热元件提出的新的要求，集中在强化传热过程及改 善元件的热响应性能。此时，散热元件中的相变过程将在微小尺度的空间中发生。 在微小空间中，相变过程的机理和基本特征与常规尺度空间中的类似。但是， 由于系统尺度的减小，小尺度效应使得相变过程在很多方面表现出新的特点，比 如表面力相对作用的增强，界面现象对质量、热量传递过程的影响等，一些在常 规尺度空间中被忽略或被简化的因素，在微小空间中必须予以重新考虑和分析， 相变过程的某些特性也有所改变。因此，微小空间相变过程的研究是个新的热 点课题，它对微电子和m e m s 技术的发展具有重要的意义。 微小型热管燕利谓工作介质在微小空间中的相变过程进行热量传递的种 高效传热元件，经过优化设计的鼠类元件能成功魂解决诸如电子计算杌芯片等微 小电子器件的散热问趣，为器件掇供稳定的工作环境。因此，微囊热管这一新兴 技术蠡勺研究不仅在学术上有耋要意义，在工程应鞠上( 特剐赶微电子、航空航天 等领躐) 也膏着广溻静前景。 l 。2 镞小空阕感躲蒸发薄液貘 1 2 。1 蒸发薄渡膜鲍一般特鼓 在受热露体表蠢上形成故蒸发薄液鹱，出于爨有赢懿局部换热系数等特性， 在微小空闻的相变传热过程中被广泛地应用，对整个伎热系统豹性毙起着重要鲍 作用。 广义的蒸发薄液膜，根撼其受到的控制力的不同葶珏特征厚度的差异，一般被 分为三个部分液膜前缘超薄的吸附层。该区域受到固体表面强烈灼吸附 力，液体分子难以飞逸离开汽一波界颤，因而不发生熬发，它的j 噻 度仅为几个分 子直径的量级。蒸发薄液膜区域，此处“脱离压力”和毛细力作用的大小量级相 笙二里堑堡 当，液膜在两种力的共n 作用下，厚度开始逐渐增加，并在汽一液界面发生剧烈 的质量、能量的传递过程，局部传热传质系数很高。弯月面区域，该处的液膜已 经较厚，它主要受到液膜界面曲率产生的毛细力的控制，在很多模型中，这一部 分被假定具有常曲率半径，即这一部分的液膜形态为圆弧或球面。由于液体薄层 中的压力与大量的均匀液相中的不同，它们之间这种不连续的压力差值被定义成 “脱离压力”。同时，液膜吸附层和蒸发薄液膜的衔接处被定义为交界区。 对于这种伴有相变传热过程的薄液膜，其总热阻在较厚的弯月面区域较小， 且基本由液膜的导热热阻组成。吸附层液膜上部的蒸汽压力与周围环境和饱和的 均匀液相相同，无法产生蒸发，热阻趋于无穷。因此在固体、液体和蒸汽的三相 交界线附近，热阻将在很短的距离内发生极大的变化。如何对这一微小而动态的 区域建立合理的模型，是一个关键。研究人员综合热动力学、界面现象和传递现 象等多方面因素，着重描述平均分子间作用力场受薄液膜厚度影响的情形，并认 为其压力为液膜厚度的函数，对此展开研究。 液体形态具有流动性和可变性，液膜形态将受到分子间三维作用力场的作 用。薄液膜中的传递过程由液一固系统的温度、液体的成分和浓度、界面形态等 多种因素共同决定。界面的动态特性，使得连续性模型仍然适用。目前，尚很难 考虑固体表面的微观粗糙度对液膜的形态及其发生的过程产生的附加影响。 对于大曲率液膜，研究证实k e l v i n 方程在4 n m 的尺度下仍然成立“1 ；但是， 此时能否继续使用纯液体相具有的物性参数，如粘性系数等，各研究者还没有取 得定论。因此，薄液膜的控制方程、边界条件和物性参数等问题需要进一步研究。 液膜控制力中的分子间作用力和表面张力是原子和分子结构的结果。平衡状 态下，这些力确定了封闭系统中的吸附、界面自由能、汽一液相分布等现象。但 是这一平衡状态极易受到破坏，并随之产生相变传热过程，在固、液、汽三相交 界区，上述非平衡下的界面现象尤为重要。 与大量各向同性的液体中的分子受到平均密度相同的分子的包围不同，在汽 一液界面上的分子，其周围的分子密度有差异，从而产生了附加能量界面自 由能，一般用包括h a m a k e r 常数的表达式描述”1 ，这一能量的不平衡性是导致 界面现象的根源之一。温度和上述界面现象对弯曲液膜上部的蒸汽压力有影响， 且在液膜的界面上伴随着质量的传递。对延展的蒸发弯月面，建立微观模型和宏 观的界面力平衡关系可对它进行详细的分析研究。 蒸发薄液膜传热传质过程的应用范围极其广泛，在核沸腾、槽道和毛细管内 的蒸发，以及伴随运动交界区的热表面上液体的再润湿等过程中都有涉及。可见， 由分子间作用力确定的薄液膜，其相变传热特性受到界面现象等的影响，是一个 相当复杂的问题，它对进行传热过程的实际系统有重要的意义。 2 一 生熙型鲎垫查奎鲎竖圭堂焦丝壅! ! ! 妲!鲞塑童 】2 。2 蒸发薄液貘传燕特梅静研究 在工程过稔中合理桶嗣菜整现缘或者菌素，可大大改善其淫能，铡妇对表甏 现象的深入谈谈帮蘩j 焉，毙便实际应蹋中静传热传蔟过程的效率大大提高。在多 孔介矮换热器( 如获汗冷却壁藤，蒸汽腔默片，啜入式核沸赫装置等) 中，毛绥 结掏邂韶疑静缀大表覆都被一瀑缀薄数蒸发液膜覆盖，此黪器磁现象泌终弱超童 显装。黠予蒸发薄液膜拣转热特性，ec w a y n e r 及荚合作者 鼓了大量豹研究工 作。 p c w a y r t e r 魏c b 。c o c c i o ( 1 9 7 1 ) “1 等对稳定弯月酉在交爨区盼近匏传热 特性进行了分孝斤，发现交雾区可以获德很大的局部换热系数。m p o t a s h 和p e t e r c w a y n e r ( 1 9 7 2 ) ”1 对固体表顿上形成的二维伸展弯月厦，建立分析模型，发现 出予弯月露轮廓变化产生的压差能够推动蒸发过程中的液体流动。蹙个伸展弯月 匾的蒸发出弯月面区的蒸发和蒸发薄波膜区的蒸发两部分组成，其中弯月面区的 流动由毛缁力驱动面蒸发区的流动受“脱离压力”控制。从交界区开始，蒸发速 率从零增长到一个峰值，再逐渐下降到厚液膜区域的较小值，峰值出现在蒸发薄 液膜的前缘。 p * c ，w a y n e r 等随后对交界区的换热系数特性进行了进一步的研究硒1 ，并建 立常热流模型盯1 ，得到无量纲化的液膜厚度和换热系数的函数；分析润湿液膜形 态时发现“脱离压力”的分布对此影响甚微；获得了交界送尺寸的表达式和表观 接触角的大小：研究各种作用力，如阐一液间的l o n d o n v a nd e r w a a l s 扩散力对 交界区传热的影响。 p c w a y n e r ( 1 9 7 9 ) 醇采用宏观的光学物性参数，研究薄液膜传热对弯月面 形态和毛细压力的影响，发现脔月面交界遁蒸发液膜的流动对弯嗣面酌有效接触 角影响很大，在大传热量下，可使有效接触角增加3 0 ，丽时使毛编题力下降 1 5 ，进而改变弯月蕊的形态。在l o n d o n v a i ld e r w a a l s 扩散力较大静函一液系 统中，交界区钓传热嚣更大。w a y n e r 等( 1 9 7 9 ) 撙h 掩1 对渡璃平投上二维静乙醇 弯月稻进行实验研究和理论分析，进一步证躜交界区挟热系数极离，微小空淫中 稳定存在的蒸发弯胃褥可以佟为离效的抉热手段。 接触焦与薄液膜钓形态在徽小尺度系统中是辍蔓影嚷鹄，p c ，w a y n e r 等 ( 1 9 8 0 ) “翻器褥现象韵基本关系式，在完全溜湿即接触角为零的悸形下德到 表瑟接触角静太小，对募蘑形态进 亍分柝褥裂了实躲表驱总是微观不均匀的结 论。毽gv o l i n t i n e 稻p te 。w a y n e r ( 1 9 8 6 ) 2 1 对双元王质的系统，对由于工质成 分变纯弓| 起“脱离压力”毂变化进 亍了磺究。 为簿化勰关分橇，ec 。w a y n e r 等( 1 9 8 9 ) 绘地了蒸发液膜传热的无量纲 数，靼界瑟魄斜搴。睫爱探讨了汽一液赛面质量传递对薄液膜流动的影响“”， 3 第一章绪论 发现由于液膜的流动和传热均受到分子间作用力的作用，流动和传热是内在耦合 的，其相对重要性则随具体情况而变。s d a s g u p t a 等( 1 9 9 4 ) 1 采用 k e l v i n c l a p e y r o n 方程研究相变传热过程中的弯曲薄液膜，发现汽一液界面传热 效率是热流的函数，热流和传热系数强烈依赖于液膜的厚度函数、曲率和过余温 度。因此，在深入了解上述复杂关系的基础上，可以获得一个高效传热的稳定薄 液膜。工程应用中，液膜的i 临界热流是一个重要的物理现象和参考数值，由宏观 均匀液体相、液体微层、接触角、液体在固体表面的延展情况、表面干涸区域、 不稳定性、蒸汽爆发、界面条件等多种因素共同决定，非常复杂。r r e v e s 和p cw a y n e r ( 1 9 9 5 ) “”利用吸附模型将临界热流与过余温度联系起来，发现交界 区的液膜特征厚度是简化临界热流问题的关键。 有关蒸发薄液膜的传热特性，其他研究人员也做了相应的研究。“脱离压力” 本质上是薄层中压力张量的垂直分量和形成这一薄层的均匀液相中的压力分量 之间的差别，它是薄液膜各种界面现象的一个重要的作用力，直接影响薄液膜的 形态和它界面上的传热传质过程。当液体薄层中有流动时，附加的“脱离压力” 对整个液膜压力场的分布及其梯度都有影响，并最终影响液膜的流动过程。 d e r j a g u i n ( 1 9 7 8 ) 1 从“脱离压力”的概念出发，研究其在液膜流动中的 作用。v a w e h r l e 和gv o u l e l i k a s ( 1 9 8 3 ) 1 对垂直浸入液池的铂板上的二维蒸 发薄液膜，利用b e r n o u l l i 方程求解其弯月面区域的液体流动，发现界面蒸发热 阻对整个弯月面的蒸发和流动作用显著，但是蒸发现象对弯月面的形态影响并不 显著；在弯月面的前缘局部蒸发热流达到最大值，且该热流值强烈依赖于界面蒸 发热阻。a m i r z a m o g h a d a m 和i c a r t o n ( 1 9 8 8 ) 1 利用边界层分析模型，对倾 斜平板上形成的蒸发薄液膜进行分析，得到了随当地位置和平板倾斜角度变化的 液膜厚度分布，证明当平板的倾角在2 0 一3 0 0 之间时，薄液膜传热的强化因子可 达7 倍左右，强化传热效果非常明显。 k r h a l l i n a n 等( 1 9 9 4 ) ”利用pc w a y n e r 等发展起来的薄液膜理论，分 析热管中的多孔介质或毛细芯结构中的圆形或狭长形微孔内的蒸发薄液膜。多孔 介质底部的弯月面半径由标准的毛细芯的孔曲率确定，这一数值在变化的热流下 无法改变。因此随着热流的增加，液膜将通过其长度的减小或者吸附区液膜的减 薄来增大压力梯度，同时界面温度梯度也大大增加，可能最终导致液膜的不稳定， 故这种依靠液膜形态的调节来传递更大的热流是有限的。研究发现此时汽一液界 面上热毛细力和蒸汽的反冲作用可以忽略，但是这些小量可引发液膜的不稳定。 由于超薄液膜的存在与蒸发可以提供极高的传热热流密度，是一种良好的表 面冷却途径，这种冷却技术在诸如热管热控制、蒸发冷凝器、强化传热换热器等 装置中具有应用背景。两相散热系统中的相关问题，同时推动了加热表面和液膜 4 ! 鱼型堂垫查奎兰壁主堂垡丝塞! ! ! 塑! 鲞堕查 再润湿特性的研究，特别是零重力、微重力场中毛细表面张力引起的液膜流动再 润湿现象。x f p e n g 和grp e t e r s o n ( 1 9 9 2 ) ”对表面张力引起的毛细流动以 及相应的再润湿进行了系统讨论，导出了不同情况下的理论或半经验理论解，得 到其最大可维持的热流和润湿速度。d k h r u s t a l e v 和a f a g h r i ( 1 9 9 6 ) 2 2 1 对汽一 液弯月面受液体流动影响的研究发现，流动可使得液膜有效蒸发换热系数增加 3 0 并影响其过余温度，但是对于大温差的情形，模型仍然需要进一步改进。 1 2 3 蒸发薄液膜的实验研究 为验证平面蒸发薄液膜传热特性的理论模型，研究人员对其基本物理量 厚度和传热量进行了实验研究。 实验研究感兴趣的微小空间的蒸发薄液膜处于一个伴随着流动和质量、能量 传递的动态过程，其厚度数值一般小于微米量级，在蒸发薄液膜前缘的吸附区域， 厚度仅为十到几十纳米。形成的薄液膜形态与外界条件，如固体材料、液体性质、 壁面热边界条件等因素均有关系，其实验测量一直是一个相当困难的课题，对实 验系统的各方面性能，包括精确度、空间分辨率、响应时间等测试参数，都有很 高的要求。 gp r e i s s 和pc w a y n e r ( 1 9 7 6 ) “”研究了在一定的静压压头下毛细管出口 处形成的蒸发薄液膜的形态，发现这一形态随着汽一液界面蒸发速率和初始的水 力静压压头而改变，并且弯月面曲率的变化是推动液体流动的驱动力。随后他们 实验研究了玻璃平板上形成的稳定的乙醇薄液膜1 2 4 1 其厚度由干涉仪测量，通 过收集蒸发产生的蒸汽获得传热量，发现弯月面形态是蒸发热流的函数。 当一光滑表面的平板受到加热或者保持一定的过余温度时，如果将它倾斜浸 入液体，其表面将形成一层蒸发薄液膜。r c o o k 等( 1 9 8 1 ) “”采用扫描显微光 度计对硅表面上的癸烷薄液膜进行了厚度测量，获得不同的外界热流加热下测量 光线经过弯月面区域后的干涉图像，将此转换成弯月面的厚度分布，并由此得到 液膜形态的斜率和曲率信息，研究加热热流等对薄液膜形态的影响。液膜厚度的 变化导致液体在交界区的流动。实验在固体平板的底面布置热电偶以得到固体在 不同的加热条件下的温度分布，分析蒸发薄液膜轮廓与过余温度的对应关系。 如前所述，交界区的传递现象对于工质的成分、性质相当敏感。当工质物性 有很小的变化时，引起薄液膜形态的变化相当可观。pc w a y n e r 等( 1 9 8 5 ) “” 通过固体底面温度和液膜轮廓的测量，实验分析了这一问题。 由于整个蒸发薄液膜的厚度有近千倍的跨度，不同的厚度范围需要不同的测 量手段，即在薄的前缘使用椭圆偏振设备，当液膜的厚度增长到o 1 z , n 左右时， 改用干涉的办法获得厚度数据，并且在测量过程中，厚度信息转化成的光学信号 5 第一章绪论 被微机加强，以提高测量精度。 y i n g x i n w a n g 等( 2 0 0 2 ) ”对于凝结液滴向尖角区运动形成凹液面液膜的 过程，利用光学手段测量薄液膜的弯月面区域，获得不同凝结速率下的液面曲率 和表观接触角的数据，证实液面曲率和表观接触角是热流的函数。 其他液膜厚度的实验研究包括yk o b a y a s h i 和m 1 w a s a ( 1 9 9 6 ) n 踟对确定传 热量和壁面温度下蒸发薄液膜厚度的测量，苗建印等( 2 0 0 0 ) 2 ”对毛细管内蒸 发弯月面轮廓进行的放大成像的可视化研究，并着重探讨了液体前进接触角和后 退接触角随热负荷的变化规律。 但是，对于蒸发薄液膜的传热特性，相关的实验数据和研究仍然不够丰富。 而且由于对具体情况需要进行具体的测量和分析，实验研究显得更为重要，因此 对蒸发薄液膜厚度的实验研究，具有重要的实际意义。 1 2 4 槽道内蒸发薄液膜的特性 绝大多数微小空间的相变传热器件采用槽道或者多孔介质的结构，此时蒸发 薄液膜将在微小槽道的轴向尖角以及侧壁上形成，并伴随着流动。它的基本控制 方程和机理与普通的薄液膜相同，但是由于其外界几何条件的特殊性，这一具体 问题仍然受到了广泛重视。 ps a y y a s w a m y 等( 1 9 7 4 ) b 对三角形槽道内的液体流动的研究给出流动 阻力的大小和流动阻力的影响因素，其数值结果在有关研究中常被应用。 f w h o l m 和s p g o p l e n ( 1 9 7 9 ) ”将槽道内弯月面的传热划分为三个区 域进行研究，发现由于交界区的作用，8 0 左右的总传热量在交界区传递，使得 珠状凝结的换热系数比对应的膜状凝结高一个量级。x x u 和v p c a r e y ( 1 9 9 0 ) m 3 对于v 形槽道内的薄液膜，假定其沿槽道轴向的流动由毛细力驱动，沿槽道 侧壁的爬升运动由“脱离压力”控制，且液膜导热是传热的主导部分，得到传热 的n u 数与( 由液体物性、槽道几何尺寸以及毛细压力表达的无量纲数) 之间 的关系，提出可以通过增加槽道密度或者减小槽道顶角，即采用深宽比大的槽道 实现强化传热。 蒸发、冷凝、气体吸附或其他的化学过程中的薄液膜都受到重力影响，m m r a h m a n 等( 1 9 9 1 ) 3 3 1 对薄液膜中流动和传热受重力的影响进行了分析，并研究 薄液膜在微重力环境中的应用。 p c s t e p h a n 和c a b u s s e ( 1 9 9 2 ) 嵋4 1 对热管蒸发段槽道壁面换热系数的研 究指出，分析中必须考虑液膜弯月面的曲率和固一液吸附力的作用。对于槽道薄 液膜，其爬升时在槽道轴向这一爬升方向有一个干涸位置，l w s w a n s o n 和g p p e t e r s o n ( 1 9 9 4 ) 3 5 1 研究发现槽道尖角越大。液膜平均换热系数n u 减小；液膜 6 中国科学技术大学博士学位论文( 2 0 0 3 )张丽春 的平均曲率在不超过约3 倍的吸附层厚度的范围内由零增长到一个由几何尺寸 确定的常数；热流的增加导致干涸更早、更快出现，液体润湿长度缩短。 在微小空间薄液膜流动阻力的计算中发现，汽一液界面的相互作用是一个重 要因素，hb m a 等6 n 鼢对此做了理论和实验分析，得n t 蒸汽和液体的流 速分布。由于流动空间尺寸微小，液体和蒸汽的反向流动的速度差很大，在界面 上产生的强烈的相互摩擦力对流动阻力影响显著，且这一作用的大小与平均蒸汽 流速和液体流速的比值有关，这一摩擦力的影响随着槽道尖角的增大而增大。蒸 汽速度的增加使得界面形态的变化增强，而界面形态的变化增强后，蒸汽流速对 界面形态的作用进步加强，最终产生液体流动的k e l v i n h e l m h o l t z 不稳定。上 述不稳定的蒸汽临界流速只与工质物性有关，且一旦出现不稳定，实验无法测得 其流动摩擦因子。j m h a 和gp _ p e t e r s o n ( 1 9 9 6 ) ”考虑过余温度，对微槽表 面蒸发薄液膜交界区的传热进行了分析，获得界面热阻和槽道内液体的分布，对 于特定的几何条件、物性参数、基板热流分布、蒸汽温度和壁面温度，求解截面 上平均换热系数的轴向变化和有效的蒸发段长度。 电子器件的正常工作受到其温度均匀性和散热能力的限制，grp e t e r s o n 和 hbm a ( 1 9 9 6 ) “”研究了三角形槽道内蒸发换热极限，并采用收集蒸发产生的 蒸汽量的方法测量传热量，证明了槽道倾角和润湿长度的增加导致传热能力的下 降。在此情况下，液膜弯月面曲率半径为常数的假设仍然成立，最大传热量是液 体通道的槽道尖角、流动的接触角、槽道轴向长度、蒸汽流动和倾角的函数。g pp e t e r s o n 和j ，m h a ( 1 9 9 8 ) “对微槽内液体蒸发流动的毛细作用进行了探讨，