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硕士论文 微通道内气液两相流对流换热实验研究及数值计算 摘要 微通道内沸腾换热是近年来工程热物理学科的研究热点之一，由于其具有良 好的换热特性，现在越来越多地被应用于高热流密度电子系统的冷却散热系统设 计之中。但是，目前对于微通道内流体流动沸腾换热的研究工作还不够完整和彻 底，为了为微型机电系统的高效散热器的设计提供理论指示和实践经验，还需要 进一步地探索和展开相关研究。 本文的主要研究内容是当不同工质在不同的流量和加热条件下流经微通道 被加热至沸腾时，形成气液两相流之后的流动状态与换热特性。主要进行的工作 有如下几点： a ) 设计并组装完成了一套气液两相流沸腾换热流动的实验装置，进行了微通 道内气液两相流流动的沸腾换热实验；通过测量流量、加热电压和温度等数据并 进行计算，给出了微通道内的壁温、热流密度、起沸点、干度和对流换热系数等 参数；分析比较了各种不同的工质、加热电压和流量情况下的参数变化规律； b ) 对实验结果的分析表明，对流换热系数随干度和热流密度的增大而减小， 相同条件下，水的沸腾换热特性优于乙醇： c ) 以实验为基础，建立了微通道内气液两相流流动的物理模型并划分网格； 使用f l u e n t 数值模拟软件，结合u d f 对沸腾换热过程进行了仿真计算，并通过 将计算结果与实验结果相比较，表明了数值模拟时所使用的数学模型适合于微通 道内的沸腾流动的计算；对微通道内不同截面的流型进行了仿真分析，首次发现 了楔形流，证实了泡状流和环状流的存在； d ) 改变了微通道的几何形状，并且使用了水、乙醇、苯以及甲苯作为工质， 对不同结构的微通道内沸腾流动进行数值仿真，得出了不同长宽比微通道内流型 流态的变化规律，并且将这些流型与以往的文献进行比较，初步证实了弹状流具 有周期性。 关键词：微通道，沸腾流动，换热特性，两相流 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t f l o wb o i l i n gi nm i c r o c h a n n e li so n eo ft h em o s tf o c u s e dp o i n t si nt h ef i e l do f e n g i n e e r i n gt h e r m o p h y s i c s b e c a u s eo fb e n i g nf e a t u r e so fh e a tt r a n s f e r , m o r ea n d m o r em i c r o c h a n n e lf a c i l i t i e sa r eu s e di ns y s t e md e s i g no ft h ee l e c t r o n i cs y s t e m s w h i c hp r o d u c eh i g hh e a tf l u x n e v e r t h e l e s s ，s i n c et h e r ea r en ot h o r o u g hr e s e a r c h i n g r e s u l t sf o rb o i l i n gc o n v e c t i o ni nm i c r o - c h a n n e l ，i no r d e rt op r o v i d et h e o r e t i c a l d i r e c t i o na n dp r a c t i c a le x p e r i e n c e ，m o r ee x p l o r a t i o ns h o u l db ed o n et oc o m p l e t et h e r e s e a r c hi nt h i ss u b j e c t t h em a i nc o n t e n to ft h i sd o c u m e n ti sf l u i d sf l o w i n gs t a t u sa n dh e a tt r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c sw h e nf l u i di sh e a t e du pa n df o r m st w o p h a s ef l o wu n d e rd i f f e r e n t c o n d i t i o n sl i k eq u a n t i t yo f f l o wa n dh e a tf l u x m a i nw o r ka r ea st h ef o l l o w i n g s ： a ) as u i to fe x p e r i m e n t a le q u i p m e n tu s e df o rg a s l i q u i dt w o - p h a s ef l o wb o i l i n g c o n v e c t i o ni sd e s i g n e da n da s s e m b l e d w a l lt e m p e r a t u r e ，h e a tf l u x ，b o i l i n gl o c a t i o n , v a p o rq u a l i t y , h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t sa n do t h e re x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r sa r ec a r r i e d o u tb yr e c o r d i n ga n dc a l c u l a t i n gt h ed a t aa sq u a n t i t yo ff l o w , v o l t a g ea n dt e m p e r a t u r e o ft h ep r o b eh o l ei nt h em i c r o c h a n n e lm o d u l e l a w so ft h ep a r a m e t e r sw h e nw o r k f l u i d ，v o l t a g ea n dq u a n t i t yo f f l o wc h a n g e da l ea n a l y z e da n dc o m p a r e d b ) n l ee x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w st h a th e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t sd e c r e a s ew h e n v a p o rq u a l i t y o rh e a tf l u xi n c r e a s e u n d e ras a l n ec o n d i t i o n ，h e a tt r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c so fw a t e ri sb e t t e rt h a nt h a to fe t h a n 0 1 c ) b a s e do nt h ee x p e r i m e n t , ag a s - l i q u i dt w o p h a s ef l o wp h y s i c a lm o d e li s e s t a b l i s h e da n dt h e g e o m e t r ym o d e lo fm i c r o c h a n n e li sm e s h e d b yu s i n gt h e s i m u l a t i o ns o f t w a r eo ff l u e n t ，w h i c hc o m b i n e sw i t ht h eu s e r - d e f i n e df u n c t i o n ，t o s i m u l a t ea n dc o m p u t et h i sm o d e l t h e nb yc o m p a r i n gw i t ht h er e s u l t so ft h e s i m u l a t i o na n dt h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t s ，t h ec o n c l u s i o n ，w h i c hs h o w st h a t m a t h e m a t i c a lm o d e li ss u i t a b l ef o rt h es i m u l a t i o no fb o i l i n gf l o wi nm i c r o c h a n n e l ，i s r e a c h e d b ya n a l y z i n gt h es i m u l a t e dr e s u l t so nt h ec r o s ss e c t i o n si nm i c r o - c h a n n e l ，a n e wf l o ws h a p ec a l l e d “w e d g ef l o w i sd i s c o v e r e df o rt h ef i r s tt i m e ，a n dt h ee x i s t e n c e o f “b u b b l yf l o w a n d “a n n u l a rf l o w ”i sp r o v e n d ) n u m e r i c a ls i m u l a t i o n sf o rm i c r o c h a n n e lw i md i f f e r e n tg e o m e t r ys h a p e sa r e d o n e i nt h i sc a s e ，w a t e r , e t h a n o l ，b e n z e n ea n dt o l u e n ea r eu s e da st h ew o r kf l u i d l a w so ff l o ws h a p e si nm i c r o c h a n n e l 、 ，i t hd i f f e r e n tl e n g t h - w i d t hr a t i oa r eo b t a i n e d b yc o m p a r i n gt h e s ef l o ws h a p e s 诵mt h ep r e v i o u sl i t e r a t u r e ，t h ec o n c l u s i o nt h a tt h e 硕士论文 微通道内气液两相流对流换热实验研究及数值计算 “s l u gf l o w h a sp e r i o d i c i t yi si n i t i a l l yc o n f i r m e d k e yw o r d s ：m i c r o - c h a n n e l ，f l o wb o i l i n g ，h e a t t r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c s ， t w o 。p h a s ef l o w i i i 硕士论文 微通道内气液两相流对流换热实验研究及数值计算 1 绪论 1 1 课题研究背景 伴随着微机械与电子技术的高速发展，微电子机械系统( m e m s ) 取得了长 足的进步。在上世纪8 0 年代中期，单元微电子集成芯片上集成1 0 6 个基本元件； 到本世纪初，芯片上的集成元件数量已经增长到了惊人的1 0 8 个【l 】。随着单元芯 片集成元器件数量的增加，工作过程中的发热量也随之剧增，而这些热量形成的 高温环境极大地降低了i c 器件的性能，甚至引起系统的崩溃。因此进行高密度 的发热条件及极小的体积上提高散热效率的研究工作迫在眉睫。在过去数十年 中，有关微通道内沸腾换热的传热学与流体力学的研究成为了国内外的一个热点 问题。经过多年的探索，研究取得了一定的成果，并初步应用在各行各业之中， 特别是在微电子机械系统( m e m s ) 以及紧凑的换热器系统中，已有部分产品开 始使用微通道沸腾换热技术。例如，在热流密度较高的集中数据处理计算机芯片 中，热流密度高达3 0 0 w c m 2 【2 1 ，在此种情况下，需要使用整体系统较为紧凑， 且在有限体积内换热面积及换热系数较大的微通道换热器进行冷却。 具有较大的比表面积( 换热面积体积) 是微通道具有较高换热效率的一个非 常重要的前提，因此有必要给出一个定义微通道的准则。目前，有许多学者都提 出了自己对通道几何尺寸划分的看法：陶然等【3 j 认为特征长度大于l n u n 的通道称 为宏观尺度的通道，特征长度介于1 岬至l m m 之间的通道尺度称为微尺度( m i c r o s c a l e ) ；k a n d l i k a r l 4 - 7 1 在大量前人研究的基础上提出通道特征长度大于3 m m 的称为 常规通道，在2 0 0 i t m 与3 m m 之间的称为小通道，而几何特征直径处于1 0 i - t m 和 2 0 0 1 x m 之间的通道称作微通道。k e w 和c o m w e l l 【8 】为了研究当汽泡离开微通道壁 面时的汽泡直径与微通道的直径间的关系，利用相似定理，提出了受限数( c o ) ， 通过c o 能够得到不同情形时的换热特性。由于目前还未形成一个公认的划分微 通道的标准，所以比较合乎实际的办法是结合微通道尺寸及沸腾特性来分类。 对于微通道而言，一个不能回避的问题是：与宏观尺度相比，微尺度问题具 有很小的特征尺度和很大的表面积体积比【9 】，因此，在研究过程微通道内的流 动与换热过程中，必须对宏观尺度上可以忽略的毛细现象及表面效应进行更为详 细的研究。不论是在微流体系统( m f s ) 还是在紧凑的换热器中，毛细作用变得 非常显著。与宏观流体力学研究侧重点不同，在微通道内表面力的作用大大超过 了惯性力对流场的影响，而且，由于微尺度换热器件相对较小的体积，相对较大 的表面积以及相对较近的邻近表面距离，造成体积力一如重力、磁力等一随尺寸 的三次方急剧减小，而表面力一如摩擦力、黏附力、范德瓦耳斯力等一却只随着 l 绪论 硕士论文 尺寸的二次方减d x 9 l ，故表面力起主要作用。 微通道内流体流动与换热特性的研究方兴未艾，存在着许多亟待解决的问 题。如沸腾换热时所产生的汽泡对流动与换热都有较大影响。根据目前实验室研 究已发现的汽泡形状，就已经有泡状流、块状流、弹状流和环状流等多种流型。 处于各不同的流型工况状态下时，流体的流动与换热状态有较大的差异，每一种 汽泡形状的内部换热情况分外复杂，这更加加剧了微通道内换热研究的难度。 迄今为止，国内外学者们还没有真正提出具有实用价值的不同情况下的微通 道内换热计算方法，一方面由于此课题研究刚兴起不久，另一方面也由于客观上 存在研究难度较大的制约。而随着研究的不断深入，必将突破更多的微电子器件 和紧凑换热器件的设计技术瓶颈。 1 2 国内外的研究成果 近年来，随着微通道内两相流换热这一课题价值的凸显，越来越多学者开始 着重研究这一领域的问题，他们卓有成效的工作为后人的继续研究提供了极为宝 贵的资料和经验。 1 2 1 微通道内沸腾影响因素的研究 在微通道内，流体沸腾时的情况与常规通道区别很大。由于通道直径、摩擦 力、黏性应力和核态沸腾时汽泡之间的互相作用，这一领域的换热机理显得十分 复杂，而在目前这种连常规通道沸腾换热机理都不甚明确的时候进行更为复杂的 微尺度级别的通道内沸腾换热研究，是具有相当高的难度的。目前已有很多学者 进行了这方面的研究。 常用制冷剂被r a v i g u r r u r a j a n 1 0 j 等人使用，并在微尺度的流道内进行了实验， 他们得出结论：在相同的情况下，若流量越小则换热系数越低。同样，为了研究 微尺度通道内的换热情况，彭晓峰【l l 】等使用了一些在常温常压下为液态的工质， 得出了结论：微通道内与常规通道内的沸腾情况以及换热特性截然不同。 但是k a n d l i k a r 和s t u m m 1 2 】与s p i e s m a n t l 3 】等人做了相似的实验，他们采用了 较深的通道深度，并看到了直径约为l o l a m 的汽泡离开壁面形成核点。t r a n 【1 4 j 和在微通道内针对工质的流动沸腾换热特性引起了w a m b s g a n s s 1 5 1 等人的兴趣， 并对其进行了测试，得出了与前面所提到的研究不同的结果：他们发现对流换热 系数与工质的流量没有关系，而是取决于加热工质的热流密度的大小。马虎根u 6 】 等通过实验研究，验证了这一结论，并且得出了一些相似的结果。 k e w 和c o n w e l l t 8 】的研究方向是不同汽泡情况下换热的主要原因，他们认为 当工质刚开始沸腾的时候，以核态沸腾为主要原因，而沸腾一段时间后汽泡开始 2 硕士论文 微通道内气液两相流对流换热实验研究及数值计算 逐渐变大时，蒸发则是换热的主因。q u t l 7 埘1 等人的研究方向同样是流型以及流 型所对应的对流换热机理，他们得出了在环状流为主的情况下，换热以核态沸腾 为主这一结论，为此，他们得出了对流换热系数与干度的大致关联，这一研究方 法是值得借鉴的。k a s z a 2 5 】等人为了研究影响换热系数的原因，利用沸腾数( b o ) 把微通道内的两相流流动分类进行了实验，得出结论：在高b o 阶段，工质流量 的影响非常大，而在低b o 阶段，热流密度的影响非常大。因此，我们可知对于 微通道内的换热机理，各位国内外学者的意见仍然存在分歧。 c o m w e l l 和k e w 2 6 使用r 1 1 3 作为工质，在横截面为矩形的微槽道中进行 了实验，他们发现换热强度与流型有很大关系：在泡状流区域，核态沸腾占据了 传热的主要地位；在聚集流区域，核态沸腾的影响渐渐降低，对流的影响逐渐增 大；在塞状流和环状流区域，对流效应取而代之成为最主要的换热方式。b o n j o u r 和l a j l e m a l l d 【2 7 1 提出汽泡直径和槽道直径的比值非常重要，若汽泡直径大，则会 被两壁面所挤压变形影响换热，进一步地，他们提出了b o n d 数： 删= ( 南厂 n ， 式中：o 为流体表面张力，g 为重力加速度，p l 和p 2 分别为液相和气相的密度； 当b o n d 数较小的时候，核态沸腾占据主要传热地位；当b o n d 数较大时，对流 是主要的换热因素。 除了常见的矩形和圆形等截面的通道以外，也有学者对一些特殊形状的微通 道换热机理进行了研究。h e t s r o n i 等人【2 粥6 】进行了微通道的管束实验( v e n r e lx f ) ， 实验对象是一组特征直径2 5 0 p m 的三角形微槽道，他们通过高速摄像机的摄影， 发现了气相截面面积在增加到某一程度之后会逐渐减小，单相流消失一段之后又 会出现，形成了反复波动的周期，在此周期内影响传热的因素极其复杂。 w u 和c h e n g 3 7 j 也进行了一组特殊形状截面的微通道沸腾换热研究，他们采 用了梯形横截面，使用硅板蚀刻出微槽道；同样的，他们也发现了周期性变化： 一开始为单相流，然后受热变成一种混合流型，之后继续加热成为泡状流，而后 又返回为单相流。 目前，已有国内外的部分学者利用一些已有模型计算得出了微通道内沸腾两 相流动的结果。例如：d e n g 和j i a n 等人【3 8 】进行了详细的网格划分，并得出了微 通道内的速度场。h e 和l i 等人【3 9 j 对微尺度的弯管和岔道管建立了物理模型并进 行数值模拟，他们得出了工质在这两种微管道内流动时的速度分布。z h a o 和d u a n 等人【4 0 】对微通道的气液交界处流动建立了模型，并得出了微通道内的过热效应。 通过以上国内外学者的研究，我们可以发现影响微通道内沸腾换热的因素相 当多，例如通道直径、通道形状、受热程度、工质种类、汽泡尺度以及重力等。 l 绪论 硕士论文 要把如此多的影响因素全部解释清楚是一件很困难的事情，所以首要问题是找准 对换热影响最大的那几种因素，分别进行详细的实验研究和分析，以求得出有价 值的结论。 1 2 2 微通道内沸腾换热关联式的研究 在进行换热器的设计时，需要按一定换热经验关系式进行理论分析和计算， 作为设计的依据。由于微通道内流体沸腾换热模式的复杂性及影响因素的多样 性，原有的用于宏观尺度换热器设计的经验关联式将不再适用。因此，为了指导 微通道结构换热器设计，需要总结出微通道条件下的流体换热关联式。国内外研 究机构和众多学者采用不同的流体、管道结构、热流密度和质量流量进行了大量 的研究，根据对实验数据的分析，总结出适用于不同换热及流动条件下的经验关 系式。 k e w 4 1 , 4 2 等人对换热器内微通道沸腾换热进行了研究，他们得出的结果显示 除了核态沸腾的关联式较为吻合实际情况以外，其余都相差甚远；他们意识到两 相流换热存在着三种方式：热传导、对流以及核态沸腾换热，而微尺度传热的影 响因素更多，难以得到一个全面的换热关系式。t r a n 等人【1 4 j 使用r 1 2 作为工质 进行实验研究，他们发现在圆形和矩形截面的微通道内部，主要换热方式有两种： 核态沸腾换热与对流换热；他们还发现质量流量和干度对换热的影响与壁面过热 度有很大关系；他们并提出了当核态沸腾占据主要地位时的两相流沸腾换热关联 式： 办= 8 4 x 1 0 5 ) ( b o 埘3 吨4 b o = 羔 ( 1 2 t f g g 、7 耽，：g 2 d e p l g 式中：h 为换热系数，p l 和p ，分别为液体和气体的密度，q 为热流密度，喽为 液体汽化潜热，g 为质量流量，吃为当量直径，仃为液体表面张力。另外，孙 淑凤【4 3 1 等人进行的实验使用液氮作为工质，强制使液氮通过狭窄的微通道内进 行换热，拟合实验中取得的数据之后，提出了微小狭小槽道内的沸腾换热关联式： h = 3 2 0 1 q o 4 8 1 g 0 1 7 1 9 艿o 1 5 2 3( 1 3 ) 式中：h 表示换热系数，g 是热流密度，g 是质量流量，6 为微小狭缝的宽度。 通常情况下，计算对流换热系数h 的方法是：首先通过经验公式计算相似准 则数n u 的值，再通过相似准则数定义公式： 4 硕士论文 微通道内气液两相流对流换热实验研究及数值计算 h = 舰；( 1 4 ) l 进行计算，式中：n u 是努赛尔数，a 是流体的导热系数，是特征长度。因此， n u 的经验公式就显得非常重要。有很多学者都对微通道中的n u 进行过研究。 c h e n t 非5 0 1 对微通道内的强迫对流换热进行了研究，他的研究对象是一组矩 形微通道，实验中，热量主要通过通道壁面传递，散热系统带走大量热量以便对 电子系统进行冷却；他将实验数据进行分析之后得出了微通道内沸腾换热时n u 的一个经验关联式： 而：三_ _ 后r 臼伽一志 ( 1 5 ) k ，= e k r 0 一s 弦。 式中：s 表示材料的孔隙率，p ，。表示无量纲温度，侥。表示矩形通道的高宽比， k ，和七，分别表示流体和固体的导热率。q u 等人【5 1 】研究了不同传热条件下的微通 道内沸腾换热n u 经验公式，通过实验数据推出了微通道内三面受热的条件下的 n u 关联式： n u 3 = 8 2 3 5 ( 1 - 1 8 8 3 3 + 3 7 6 7 f l2 - 5 8 1 4 f l3 + 5 3 1 6 f 1 4 2 0 35 )( 1 6 ) 以及在微通道四个内表面同时对流体进行加热时的n u 关联式： n u 4 = 8 2 3 5 ( 1 2 0 4 2 f l + 3 0 8 5 j i b2 2 4 7 7 f 1 3 + 1 0 5 8 卢4 一o 1 8 6 , 35 ) ( 1 7 ) 在( 1 6 ) 和( 1 7 ) 两式中：p 均表示矩形微通道截面的宽高比且卢 1 。 总的来说，国内外学者对于微通道换热关联式的研究是非常重视的，他们做 出了许多的实验，并且推导、拟合出了大量的换热关联式，为后人的继续研究作 出了巨大的贡献。但是我们也应看到，在这些错综复杂的关联式中找出最适合某 一工况的公式还是存在巨大的难度，原因之一是微通道内沸腾换热的经验关联式 到目前为止还没有做到面面俱到的地步，有部分工况无法找到对应的关联式；原 因之二是这些关联式本身的精度都与学者们做实验时的具体所处条件有关系，在 通用性上还是存有疑问。因此，这一领域还需要更多的学者做出巨大的贡献才能 够发挥出它应有的作用。 1 2 3 流型和汽泡的研究 对于不同的流型，也有学者对其做了详细的研究和阐述。f u k a n o 等人【5 2 - 5 7 】 提到：微通道内的流型有泡状流、弹状流、环状流以及塞状流等。t r i p l e t t 等人【5 8 】 通过实验观察到了另外的一些流型：泡状流、弹状流、弹状环状交替流、翻腾 流与环状流。s e r i z a w a 等人【5 9 ，删通过实验观察到了一个奇特的流行：偏斜流( 或 5 1 绪论 硕士论文 称为鸡肉串烧流，s k e w e df l o wo ry a k i t o r if l o w ) ，即各种不同形状的汽泡气核排列 在微通道中轴线上，外形就像偏斜的鸡肉串烧。 王冬琼【6 l 】和黄卫星【6 2 , 6 3 等人认为两相流的流型通常情况下有泡状流、弹状 流、搅拌流和环状流，有时可能还存在混合的流型比如雾状流等( 见图1 1 ) ；他 们在实验中观测到：泡状流的汽泡直径小于通道宽度，此时的液相是连续的，而 汽泡孤立的在液体中流动，且汽泡是在过热壁面处生成的，随着干度增加，汽泡 之间产生碰撞，之后形成较大的汽泡1 6 l j ；当汽泡在通道截面方向的直径增加到 超出通道直径的时候，由于通道壁面的挤压，最外层的汽泡逐渐向两端扩展，尾 端较为平坦，前段一般呈现类似锥形的形状，整体形状像一颗子弹，故称为弹状 流；而当干度继续增加，此时形成了更多的汽泡，它们互相碰撞与连接之后 会形成均匀、连续的气流，气流的周围存在均匀的液膜，此时便形成了环状流【6 引。 豳燃函嬲函i 曩1 n ：m ； ； “”、，l 咐，m 速羞滋函丽i 溺i 嗣l 如孙 叠玉蘸基三薹荔i 函函1 ，、 蕊菌函瑟蓊麓翻滋菇嗣裔一m 、 、j i ；。、nc ；! t t ： j 、h t l h l i 。、；：、k l o 、i 。，1 1 酝迸溺透逶巫翥函嗣鬣习誓曩一：m 、 ；! 、i p b 吲o 、”i h ，j f 。0 酣 ? i i i 函圜曩叠i 嗣l ：。 卜i i b 、j 。- 、。、2 j j ! 一卫j & w 图1 1 高速摄影下微尺度沸腾两相流流型1 6 l j 李斌等人畔j 通过实验观察到了五种流型，它们分别是：泡状流、弹状流、 块状流、汽泡聚集区和环状流( 见图1 2 ) ；其中，块状流和汽泡聚集区存在于弹 状流和环状流之间；流型为弹状流之后，由于工质被壁面持续加热，导致微通道 内干度继续增加，管壁上的工质边界层与汽泡的速度滑移增大，液膜出现上下波 动，并形成块状流1 6 4 j ；而汽泡聚集区是一种极不稳定的流型，有大量汽泡聚集 在一起，与大量块状流交替出现，之后出现“喷泉”，即汽泡破裂后内部的水份 6 硕士论文微通道内气液两相流对流换热实验研究及数值计算 突然喷出，大量的“喷泉”将汽泡聚集区冲散，而后形成环状流【6 4 1 ，因此，汽 泡聚集区是一种过渡的流型。 c h e n 等人 6 5 - 7 2 1 通过实验研究发现，当热流密度为较低时( 见图1 3 ) ，弹状 流的形成是汽泡逆向运动后融合的结果，在形成过程中，液体在接近壁面的地方 剧烈的核态沸腾并形成小汽泡；当热流密度为较高时，汽泡沿着流动的方向继续 加热，很明显的被拉长，显示了拉长的效应。 ( a ) 泡状流( b ) 弹状流( c ) 块状流 ( d ) 汽泡聚集区( e ) 环状流 图1 2 窄缝内气液两相流流动的流型1 6 4 1 佃 f l o w 图1 3 低热流密度时的可视化沸腾过程1 7 0 i c h a n g t a l ；和p a i l t m 进行了汽泡时序上的实验研究( 见图1 4 ) ，实验条件是： g = 2 2 k g i m 2 s ，q ”= 7 9 1 七坍2 ，此时核态沸腾即将发生，可以看做临界点，这 种情况下的两相流可以看做是稳态的。在入口段，除了一个管道内偶然的形成了 一个汽泡外，其他管道中基本上都为单相的液体，从下往上数第四个槽道中，汽 泡形成了弹状流，弹状流的长度在之后会迅速增长；图1 5 表明了弹状流在轴向 的发展，在参考时间( t o = 0 s ) 之前的0 0 0 5 s ，汽泡正当处于分离壁面的状态1 7 3 】，此 l 绪论 硕七论文 时汽泡长度由于表面张力的作用要比参考时间的汽泡长度多少长出一些f 或许长 得不多) ，表面张力通过抵消大量流动的拖曳力使汽泡与壁面相连；汽泡在分离 后的数个时间间隔后，于参考时间。陕复了最小的长度7 4 l 。 f l o ad i r c c t i , m 图1 4 微通道两相流流型在管道入口、中部及出口的演化【7 3 i 罗道威等人【7 5 1 也进行了类似的实验研究：他们发现了泡状流、弹状流、扰 动流以及环形流( 汽化核心流) ；他们进一步的测出了不同流型以及不同流相的 流速。 m o r s h e d 等人对微尺度的铜管内的气泡生成过程进行了研究，他们利用高 速摄像机进行了拍摄，认为小汽泡在通道内表面首先生成，然后迅速合为较大的 汽泡。 硕士论文微通道内气液两相流对流换热实验研究及数值计算 n o i t r l ：* lf l o wd i r e c t i o n 獭溯戮鳓黼酾溺i 鳓戮泓磊磊磊蕊。一一戮- - ；酗 j “缘墩m 籀自 僦 自瓢赢磊- 一w 一。，。二。二磊。：，泛荔溢磊蠡茹菇“瀛，* 一“一。m ：。蠢云茹。磊；灞茹 t 龇靴掘* 二 一_ h l u 。、强盖勉i 虢 州簟馘溉“。二二一- 。一篮蕊鬟盘盔盘泣氆赫l 姚 k 磊磊* * 。i ； ，二。 ；。：。鬣淼= 磊。；二磊；磊二“。，一。篡蕊。磊磊磊磊 t , ；- o 2 0 5 sk o 0 5 5 s 。鬟鬻鳓鞲；黼自溺黼鞴搿瓣瓣赫蕊霜翟霹 礴鳓鳓溺一一黼黼黼黼黼戮戮黼戳戮酾 二鬣l 溉。，。 。必黼g 越# 礁女g # m 鳓黼 。自女镕口目# 自幽 ；舷- 磊一m 一= ：；= - 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= 大子系统组合形成了整个微通道内气液两相流沸腾换热实验系统，如 图2 1 l 所示：工质在通过循环系统中不断循环流动，经过微通道模块进行沸腾 换热活动，电热系统以一定的功率对微通道模块进行加热，数据采集系统连续采 集实验中产生的温度数据。 硕士论文 微通道内气液两相流对流换热实验研究及数值计算 图2 5 紫铜制微通道模块 图2 7 精密净化稳压电源 图2 9 电热棒 鞫2 6 聚四氟乙烯制微通道外壳( 阻热层) 图2 8 调乐器 图2 1 0 数据采集器 1 3 2 微通道内沸腾流动及换热实验研究 硕士论文 2 2 实验原理 图2 1 1 微通道内气液两相流沸腾换热实验系统 2 2 1 系统运行介绍 将工质注入恒温槽，根据预定的流体在微通道入口的温度设定恒温槽预置温 度。待恒温槽内工质温度达到预设值后，开启恒流泵，由转子流量计读出体积流 量，调节恒流泵转速，使工质流量达到预设值。在工质循环系统开启一段时间之 后，达到稳态时，开肩电热系统。利用万用表测量调压器的输出电压，使发热铜 棒的发热功率稳定在预设值附近，同时开启温度监测与采集系统。再次等待各测 点的温度达到稳态时，启动数据采集系统进行记录各测点温度。为了减小沸腾换 热过程中的随机波动对换热的影响，以1 0 秒为间隔连续采集1 0 次数据后暂停， 取各点采集温度平均值作为该工况下的测点温度。调节自藕变压器的电压以调整 电热棒的发热功率，以改变换热过程的热流密度，待系统达到稳态之后再次进行 数据采集，如此反复实验。完成该种流量条件下的实验后，调整工质的流量，重 复进行以上过程，得到不同流量条件下的实验结果。最后，更换循环系统内的工 质继续进行实验，以期获得不同工质在不同流量、不同热流密度情况下的微通道 两相流流动沸腾换热特性。 工质在恒温槽中被加热达到恒定温度之后，经由恒流泵抽取通过流量计之后 进入微通道。此时，微通道已经被电热棒加热，其壁面温度超过了工质的温度， 微通道壁面和流体工质之间丌始产生热交换。当热流密度较低时，二r = 质在流经微 通道过程中可能不发生相变，仅体现为出口温度高于进口温度，流出微通道后在 换热器内冷却