（工程热物理专业论文）微细通道内流动沸腾的实验和理论研究.pdf

摘要 摘要 微尺度下的流动沸腾传热与传质是一个复杂的问题，有着广泛的应用前景。 虽然很多研究者作了不少的工作，发表了较多的文章，但是对机理的认识仍然 很不充分，实验结果也相差很大，甚至相反。但由于其在微机电系统、高能流 密度微电子、航空航天、激光技术及新材料的加工及制造上有巨大的应用前景， 各国的众多研究者对微尺度流动沸腾的研究给予了高度的重视。本文以揭示微 槽道内流动沸腾的机理为目的，以流动沸腾的流型、压降及换热特性为着手点， 对微通道内流动沸腾进行了实验研究及理论分析。 本文首先利用3 8 0 0 0 帧，秒的高速摄影仪和宽视场体视显微镜相结合的可视 化观察与测量技术对水平布置的石英玻璃微管及矩形微槽内水的流动沸腾的气 泡产生、生长及合并等流型的变化进行了可视化实验研究。实验结果表明：在 内径为5 2 0 帅和3 1 5 “m 石英玻璃微管内，其流动沸腾的流型以单相液流、泡状 流、塞状流和环状流的周期变化为主。而在内径为2 4 2 岫微管内，无论是在过 冷沸腾和饱和沸腾情况下，都只发现了单相液流和环状流流型，而没有看见任 何气泡的行为。在微通道内水的过冷流动沸腾中，进出口压降变化与出口温度 基本上是一一对应并且反相的，其过程从宏观上讲是由饱和蒸汽和过冷水的交 替通过组成的。这与常规尺度下流动沸腾的情况是完全不同的。在矩形微槽内 流动沸腾过程中，其流型变化无论是过冷沸腾还是饱和沸腾都与石英玻璃微管 内的流型变化基本一致。 其次，在了解微通道内流动沸腾的流型变化特点的基础上，为了充分的了 解微管及矩形微槽内流动沸腾的压降特性和换热特性，我们以蒸馏水为工质， 采用直接电加热的方式，利用红外热成像仪和高精度热电偶、精密压力传感器 对微通道的外壁面温度和进出口压降进行了精确的测量。实验的结果表明：利 用红外热成像仪的显示特点，可以对不透明的微管内过冷沸腾状态下流型的变 化情况进行预测。在饱和流动沸腾时，两帽摩擦压降随热流密度的增加而增大。 而两相摩擦压降因子面2 凡随l m 参数的增加而单相减小，与质量流速的变 化也有一定的关系。在实验条件相同的情况下，微圆管与矩形微槽内流动沸腾 的压降结果几乎是一致的。通过实验数据与其他研究者的实验预测式的比较， 微细通道内流动沸腾的实验和理论究 并考虑到不同管径和流速的影响，在实验结果的基础上建立了新的微管及矩形 微槽内两相摩擦压降因子。及两相摩擦压降关联式。在对饱和流动沸腾换热 特性进行探讨时，发现对于微管，两相换热系数随干度的增大而逐渐缓慢减小 或保持不变，这种现象是由于环状流气芯中间间歇通过的液体在壁面上的沉积 导致了液膜的增厚而造成的。而质量流速和进口温度等参数的变化均会对实验 段的换热特性产生一定的影响。对于矩形微槽内的流动沸腾情况，其换热的特 性与微管内的恰恰相反，两相换热系数总体上随干度的增大而逐渐缓慢增大或 保持不变。这可能是由于壁面加热方式的不同导致气相夹带液体在壁面上沉积 方式的变化而引起。通过实验数据与已有的叠加模型、两者择大模型、渐进模 型和增强模型及几组微细管槽的实验预测式进行了比较，并在实验结果分析的 基础上，建立了新的微管和矩形微槽内的流动沸腾换热实验预测式。 最后，在微通道内流动沸腾的可视化实验研究的基础上，本文建立了饱和 流动沸腾状态下微管内的间歇饱和水和环状流动混合换热模型，并进行了理论 计算。理论计算结果显示，所提出的描述微管内流动沸腾间歇饱和水和环状流 动混合模型能较好的反映实验结果。 关键词：流动沸腾，可视化，流型，压降，换热特性 垒! ! 坠竖! 一 a b s t r a c t y ；mx i a o h o n g ( e n g i n e e r i n gt h e 咖o p h y 瓿c s ) d i r e c t e db yp m ft a n gd a - w 萌 t h er a p i dd e v e l o p m e n to fm e m s ，m i c r o e l e c 虹o n i c s ，l a s c rt 。d m o l o g y ，a n dn e w m a t 甜a lm a t l u f a c t u d n gb r i n ga b o u tn c wn e e d so fc 0 0 l i n gte c _ 1 1 i 1 0 1 0 9 i e sf o r h i 曲h e a t n 1 1 ) 【i nm i c m c h 锄d 1 1 1 et l l e 册a le x c h a n g eb a s e do nt h en o wb o i l i n gi n i i l i c r o c h a n n e l i s 觚i m p o r t a n tc l a l l e n g co fm e s e 把c h n o l o 西e s h r e c e n ty c a r s ，m 弧y r c s e 础e sh a v ep a i dm u c h 蜘t i o no nm em i c r of l o wb o i l i i l gs t u d y - h o w e v e r ，m e p u b l i s h e de x p 喇m 雠t a lr c s u l t s 强d l en o wb o i l i n gm e c h a l l i s ml e a d t 0o b 、，i o u s c o n 如s i o n s n 圮m a i np u r p o s eo ft l l ep 瑚锄ts t i l d yi st oc l 撕旬n l em e c h a n i s m so f m i c r of l o wb o i l i n g b a s e do np r c v a i l i n gl a l o w l e d g eo fn o w _ b o i l i n gp a 仕e m s ，p r e s s u r e d m pa i l dh c a tt r a n s 缸p e 而咖a n c e ，t h ee x p c r i m e i l t a ls t i l d ya i l dt 1 1 e o r c t i c a l 柚a l y s i so n f l o wb o i l i n gi nm i c r o - c h 籼e l i sp c r f b r i l l e di nt 1 1 i sw o r k f i r s t l y ，t h en o wb o i l i n gp a t t c r n 仃a i l s i t i o r i ss u c ha sb u b b l e s f o m i n 舀c x p a n d i n ga i l d m e r g i n ge t c i nt h eh o r i z o n t a l l yp l a c e d 柚du n i f o 删ye v e r i l yh e a t e dm i c r oc a p i l l a r y t 1 1 b ea i l dr e c t a n g i l l a rm i c m c h a n n da r eo b s e r v e db yu s i n gah i g h s p e e dc 锄e mw i l t l l em a x i m 砌s p c e do f3 8 0 0 0 蠹a m e sp e rs e c o n da n dam i c r o s c o p e 耵屺e x p e r i m e n t a l r c s u l t ss h o wt h a tm em a i nf l o wr e 百m e si nt l l c s em i c m - t l i b e sa r e 【l l ep 甜o d i cc h a n g c s o fs i n 百e - 1 i q u i df l o w ，s l u gf l o w a n da n n u l a rf l o ww i ml i q u i df i l r ns u 肿u n d e di nt h c m i c 一t u b ew i 也i 衄e rd i a m c t e ro f5 2 0a n d3 1 5 u m h o w e v e r b u b b l yn o wi sn o t o b s e r v o dd u i i n gs l | _ b c 0 0 1 e da i l ds a t u r a t e df l o wb o i l i n gf o r 协em i c mt i 】_ b ew i mi i l i l e r d i a m e t e ro f2 4 2 岬，t l l en o wp a t t c mi so l l l yc o n s i s to fs i n 四ep h a s el i q u i df l o wa 1 1 d t w o p h a s ee l o n g a t e s l u gf 1 0 w i nm ep r o c e s so fg u b c o o l e dn o wb o i l i n g ，t h e a l t e 玎1 a t i o n so f1 1 1 ep r e s s u r ed r o pa n dm eo u t l c tt e n l p e r a t u r e ，m et r e n d so fw h i c ha r e o p p o s i t e ，a r ea l m o s ti d e n t i c a l n i ss u b c o o l e d 丑o wb o i l i n gp r o c e s si sc o n s i s to f a l t e m “o no fs a t u r a t e dv a p o rp h a s ea n ds u b - c o o l e d l i q u i dp h a s e ，w h i c hi sv e r y d i 行e r e n tf b mt h a t i nm a c r o c h a n n e l f o rt h es i t u 撕o ni nr c c t a l l g u l a rm i c r o c h a n n e l ， t h et r a n s i t i o n so ff l o w b o i l i n gp a t t e r n sa r ea j m o s tt h e s a 玎1 ea st h es i t u a t i o ni n 1 1 i 燮型望堕塑望! 垫塑堕堕壅壁塑些笙型i 壅 m l c r o t u b e s e c o n d l y ，b a s e do nt h ek n o w l e d g eo fn o wb o i l i n gp a 七t e m si nt h em i c r o t u b ea 1 1 d r e c t a l l g u l a rm i c m c h a n n e l ，t h es u r f h c et e m p e m t u r ea n dp r e s s u r ed i d pa r em e a s u r e db y 廿1 ei n f 渤司r a d i o m e t 姒t h e r n l o c o u p l e s ，a n ds i l i n 曲s o l u t ep r e s s l l r es e n s o r st o s t u d ym ep e r f b m l 柚c eo fp r e s s l l r ed m pa n dh e a t 呦s f ht h ee x p 胡m c n t a lr e s l l l t s e “d 饥c em a t ，b yu s i n gt h ci n f h r e dr a d i o m e 廿y ，1 ee v a l u a t i o no fs u b c o o l e d _ e l o w b o i l i n gp a t t e r n si na no p a q u em i c r o m b ec a nb ee s t i m a t e d 丘o mt h em e n i l o g r a p h s d l l r i n gm ep r o c e s so fs a n 聃t c dn o wb o i l i n 岛t l l ec x p c f i m e n t a l 研。巾h a s e 衔c t i o n a l p r e s s u r ed r o ps 仃0 n 西yd e p e l l d s o nh e a tn l l 】【a n dm a s sf l l l 】【a i l dm e 伽o - p h a s e 衔c t i o n a lm l l l t i p l i e r s ，工d e c r e 觞e d ，i ml o d 出a r t - m a r t i n e l l ip 盯舡n c t c r 鼬dc h a l l g e d w i t hm 勰sf l l l ) 【a c c o r d i n gt ot l l ee x p e f i m e n t a lf e s l l l t sa n dt l l ee f r c c t so f m a s sn u xa i i d h e a tf l u x ，an e wp r e s s u r ed r o pc o r r e l a t i o ni ss u g g e s 伽，w h i c ha 争e e sw e l l 丽t ho l l r e x p 谢m 龃t a ld a t a t h eb o i l 血g h e a t 订a n s f e rc o e m d e n td c c r e 船e ss l i 曲t l yo rr c r n a i n s u n c h 锄g e dw i _ 【l li n c r c 船i n go fn l ev 印o rq u a l i t yi nt l l ei i l i c r o - t i 】b e ，b u te x p r c s s 船m e o p p o s i t e 仃e n di nt l l er e c t a n g u l a rm i c m c h 籼e 1d u et ot l l ed i f f b r 饥th e a t i n gm e t h o d i t i si m p l i e dm a tm i st r e i l di sa 嘣b u t e dt ot h ci i l n u e i l c eo fl i q u i dd r o p l e te n t r a i n c d b c t w e e nt l l ea d j o i n i n ga 删l a rf l o wr e 百o n sa n dd 印o s i t e dw i t h i n ( h i sr e 西o n b a s e do n t l i ec o m p 撕s o nb c t w e e nt l l ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dm ep r 甜i c t o dc o r r e l a t i o n s ，an 州 b o i l i n gh e a t 仃a n s f e rc o r r e l a t i o ni so b t a i n e d f i n a l ly ，f 0 1 l o w i n gt l l ee x p 喇m e n t a lr e s u l t s ，m ep r o p o s e dc o m b i n e dt h e o r e t i c a l m o d du s i n gt t l ee f r e c t so fl i q u i dd r o p l c t 胁仃a i n m e n ta n dd e p o s m o nw i t h i nm e a 衄m a rf l o wr e 百o na i l di n t e m l i t t e i l ts a t l l r a f e d s i n 西ew a t e rf o rh e a tt r a l l s f e ro f s a t i l 】c dn o wb o i l i n gi na1 n i c m t u b ei se s t a b l i s h c da i l d c o l l l dp r e d i c tm e e x p e r i m e n t a ld a t aw e l l k e y w o r d s ：n o wb o i l i n g ，、，i s u a l i z a t i o n ，f l o wb o i l i n gp a 仕e n l s ，p r e s s u r ed m p b o i l i n g h e a tt r a n s f b rd e r f o r m a n c e 第l 章绪论 第l 章绪论 1 1 课题的背景及意义 现代科学技术的发展，制造工艺水平的提高及实际工程的需要开辟了微小尺 度研究的新领域，尤其是微电子机械系统的飞速发展，更极大地推动了这一研究 热潮，微小器件以其价格低廉和性能卓越对研究者产生了不可阻挡的诱惑力。因 此，各国对微尺度的研究给予了高度的重视并积极展开研究。在美国，早期支持 微电子机械系统研究的经费主要来自国家基金会，每年约l o o 万美元，稍后美国 国防部也加入了支持的行列，其资助水平每年每项目甚至可达5 0 0 0 万美元以上。 德国每年约有7 0 0 0 万美元用于微机械系统的研究，日本通产省自1 9 9 1 年开始实 施为期1 0 年总投资2 5 0 亿日元的“微型机械技术”研究开发计划。所有的这些 态势都说明了微电子机械及其相关研究项目的战略意义。而微小尺度传热正是微 尺度科学中最重要的分支之一。 在所有微电子机械的设计及应用中，传热和流动都是非常突出而重要的问 题，因为此时任何一个物理过程中的物质和能量输运均发生在一个受限制的微小 几何结构中，这其间必然会涉及到流动和能量的转换，而任何不可逆输运过程中 能量的耗散必然有一部分是以热的形式体现的。正是由于能量传输和交换的普遍 性，加之微尺度科学与工程技术的兴起，微小器件中的高能量及快速热输运问题 得到了广泛的重视。因此，全面了解微小机构在特定时问和空间尺度范围内的热 行为，已经成为提高器件性能最关键的环节之一，并对于发展高能流密度微电子、 光电器件、激光技术及加工某些新材料具有重要的现实意义【“。 目前的微小尺度换热研究表明基于微尺度相变理论为基础的流动沸腾换热 能有效保证微系统的高效散热要求，并且与单相流动的换热方式相比，这种方式 不仅可达到较高的换热效果，而且可以利用冷却工质的相变潜热使器件表面的温 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器件工作 稳定性、可靠性的影响。现有的微细通道内流动沸腾的研究主要集中在流动和换 热机理的实验和理论研究上。通过实验测量微通道壁面温度、进出l 压降及温度、 质量流速、热流密度以及流型变化等参数来确定微通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。通过肘不同冷却工质( 水或 微细通道内流动沸腾的实验和理论研究 其他氟化物) 、不同质量流速等比较实验来确定工质物性的差异对微通道内传热 机理的影响。根据b o w c r s 和m u d a w 一2 l 的定义：水力直径在l o “m 1 m m 之间 的槽道均可称为微通道。与宏观尺度相比，微通道水力直径减小了约2 3 个量 级，从而微尺度流动沸腾体现出一些与宏观尺度流动沸腾所不同的地方。第一， 尺度效应对流动和传热的影响越来越大，同时表面粗糙度效应也逐渐突出。第二， 微尺度流动沸腾的压降相比常规尺寸流动沸腾而言要大，且存在压降的振荡及波 动，同时在多槽结构中易出现流动的逆转。第三，流型的变化有别于常规尺寸下 的流型，并且在实验过程中发现了一些新形式的流型，因此微尺度下流动沸腾的 机理相比常规尺度可能会发生很大的变化。第四，水力直径量级的减小加大了实 验台加工、装配及实验参数测量准确度的困难。 到目前为止，微尺度流动沸腾的实验和理论研究已经发表了不少研究论文， 但由于实验条件的限制及对微尺度流动沸腾机理缺乏最根本的了解，实验结果相 差很大，已有的理论模型及实验关联式都有严格的适用范围，并且常规尺度的流 动沸腾理论模型运用于微尺度还值得商榷，因此，至今还未有一个较为普适的模 型来描述微通道中的流动沸腾机理。 基于以上的分析，本文将在前人研究的基础上，通过可视化研究方法获得微 细通道( 微管和矩形微槽) 内过冷及饱和流动沸腾的流型变化情况，通过实验手 段定量求得进口温度、流量、尺寸效应和截面变化对微通道内流动沸腾的压降及 换热特性的影响，并在此基础上建立微管内流动沸腾换热模型并进行了数值计算 和理论分析。 1 2 国内外研究发展的现状 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m e m s 领 域一个比较新的课题，所以已有的研究结果不仅包括水力直径为1 0 啪l m m 的 微通道内的流动沸腾研究，而且包括了l m m 4 m m 的小通道内的流动沸腾研究。 1 2 1 微通道内两相流动的可视化研究成果 流型在两相流的流动特性和传热特性的研究中，是非常关键的。它虽然没有 定量的描述，但它是传热与流动的计算依据。不同的流型，有其独特的传热与流 动机理。流道中流型的变化往往会引起流阻的改变、流动的稳定性改变以及出现 传热危机。因此对微通道内气泡的产生、合并，流型的变化进行可视化实验研究， 第1 章绪论 对于从本质上了解微通道内的传热传质现象、压降变化、流动稳定性等都是非常 直观，非常重要的。通过高速摄影仪对微通道内流体在不同工况下流型变化的记 录确定流体楣变的条件及流型变化的判断依据，绘制出不同质量流速、不同热 流密度条件下微通道内的流型变化分布图，可以为微通道内流动沸腾的压降、传 热传质理论模型的建立及沸腾机理的探讨提供最直观的判据。 c o m w e l l 和k e w l 3 1 对横截面为宽1 2 r m ，高o 9 n l m 的铝板和玻璃板上的矩 形槽群进行了可视化实验研究，冷却工质为r 。l 】3 。实验中观察到三种流型区域： 孤立气泡区、受限气泡区、环状一塞状流区。实验中发现流型与传热系数有很强 的联系，在孤立气泡区，o c 扩7 ，显示此时是核态沸腾起控制作用。在受限气 泡区，气泡几乎占据整个槽道横截面，b 受g 的影响趋于减小。在环状一塞状 流区，对流效应占据主导地位。 m o r i y 锄a 和i n o u e 【4 l 对水平的平行平板之间的厚度仅为3 5 1 1 0 岬的窄缝内 的r 1 1 3 的两相流动沸腾进行了实验研究。实验中观察到因槽道限制而拉平的气 泡( 部分已合并) 、沿壁面的条状液体流动及液膜流动。 m e r t z 等【5 】对宽度为l m m ，2 n 吼和3 m m 的矩形单槽和多槽中水及r 1 4 l b 的流动沸腾进行了实验观察，发现核态沸腾、受限气泡流、环状流以及观察到槽 道内气泡的产生不是连续的。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。 t r a n 等【6 l 对内径为2 4 6 m m 圆管内r 1 2 的两相流流型进行了观察，发现流 型从塞状流向环状流的转交发生在干度较大的区域( z 。o 6 o 7 ) ，而不同于常 规尺度下的情况( x 一0 2 5 o 3 5 ) 。 k u w a l l a r a 等【7 】对饱和压力为o 9 2 b a r ，质量流速为8 0 1 2 6 0k ( m 2 s ) ，干度 为o 0 0 8 o 9 7 5 下直径为1 2 m m 水平管内r 一1 3 4 a 的流动沸腾进行了观察。他们 发现了泡状流，塞状流，波状一环状流以及环状流型，这与常规尺度管中的流型 一致。其中波状一环状流的出现意味着流动发生令人吃惊的分层现象，在此基础 上，他们对b a k 一8 毓型图进行了修i f 。 k a s z a 等【9 】用最大速度为1 2 0 0 0 帧秒的高速摄影仪对截面尺寸为宽2 5 m m ， 高6 m m 矩形槽内的流动沸嘴情况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力：作用时，气泡q ：长速度同池沸腾相似。当气泡合并形 堂型望望堕堕塑塑堕塑茎堕塑些丝坐塑 成汽塞后，汽塞与壁丽之间被一层o 6 7 m m 厚的薄液膜所阻隔，在这层液膜中发 现核态沸腾的存在。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传热。他们的发现清晰的显示出薄液膜中核态沸腾的发生可 以存在于塞状流和环流条件下。 p e n g 和w 锄一1 0 1 认为微槽中的传热与大管中的不同，常规的核态沸腾现象在 微槽中不存在。他们进行了对水乙醇，及两者混合物在不同形状微槽中的实验， 发现核化区和对流区处在不同的区域。在水力直径在o 1 至0 6 m m 的矩形槽及三 角槽中并没发现沸腾现象，但显示出换热性能超过单相换热的现象，故他们称这 种微槽内的非常规现象为“拟沸腾”。 b o n i o l l r 和l a l l 锄趾d 【1 1 】对两垂直平面问窄空间内的r - 1 1 3 的流动沸腾流型进 行了研究，发现了孤立气泡、合并气泡和局部蒸干等现象。并提出将气泡的尺寸 及槽道的尺寸相比较是至关重要的，因为它决定了槽尺寸是否会影响气泡的生长 r 一 、吨5 及导致受限的流型。b o n d 数= i 广兰弋l ，其中盯为水的表面张力；g 为重 i g l 见一乓jj 力加速度；儿为液体的密度；以为液体的密度。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。对于大b o n d 数，槽道尺寸不会防碍气泡的流动。 k u m e t s o v 和s h 砌i f z a e v 【1 2 】研究了两同心圆管间o 9 m m 的环形间隙中冷却工 质r 3 1 8 c 的流动沸腾流型。实验发现在孤立气泡区后紧跟着沿流动方向拉长的 与合并气泡相似的t a y l o r 泡。这些气泡沿环形间隙周围展开，形成蜂窝状结构。 h e s 昀1 1 i 等 1 3 1 研究了由水力直径为o 1 0 3 o 1 2 9 i r n 的2 1 2 6 根平行槽道 组成的热沉内的流动沸腾情况。实验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。 l a k s h m i n a m s i m h 锄等【1 4 】研究了尺寸为高1 m m ，宽2 0 m m ，长3 5 7 m m 的矩 形槽内的流动沸腾。利用l c d 观察发现：当过冷的r 1 1 进入槽道时，在层流区 清晰发现o n b 的出现；而在湍流区，由于过冷区很高的单相传热系数，并没有 发现o n b 点，也许可能是o n b 发生在离散位置而不是出现可清晰分辨的前端。 m o s y a k 等1 1 s 】对水力直径为2 0 0 3 1 0 “m 的平行三角微槽群内水的流动沸腾 进行了实验研究。高速摄影仅的可视化观察发现：在低负荷下，气泡在某几个槽 塑! ! 丝笙一一 内产乍，起初为球形，然后沿轴向生长，气泡轴向的最大长度大约是径向的8 倍，这与常规尺寸的情形是不同的；而在高负荷下，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a h e t s r o n i 等对水力直径为2 5 0 哪的平行三角微槽群内电介质流体( v e n r e l x f ) 的流动沸腾进行了实验研究。质量流速为1 4 8 2 9 0k ( m 2 s ) ，出口压力为 l b a r 。通过1 0 0 0 帧秒的高速摄影仪观察发现，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0 0 5 s ，而整个周期约为1 5 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 i l i 等【1 刀对水力直径为2 0 0 3 1 0 岫的平行三角微槽群内空气一水及 蒸汽一水的流型进行了研究。研究发现：对于空气一水的情况，在不同的微槽中 同时发现了不同的流型。而在蒸汽一水的情况时，发现了爆发式的气泡行为及气 泡向下游运动、生长及形成气塞的过程。 z h a i l g 等 1 8 】对水力直径为2 0 6 0 岫的矩形微槽内的水的流动沸腾进行了研 究。可视化实验发现：微槽两相流动流型主要是环状流动，典型的气泡流和塞状 流并没发现。 w u 和p i n gc ”巴n 一1 9 l 对梯形横截面的平行硅微槽群中的水的流动沸腾进行了 实验研究。水力直径分别为1 5 8 8 岬和8 2 8 岬。对于水力直径为1 5 8 8 岬的槽 群，当热流密度从0 ，9 6 增加至1 5 5w c m 2 时，可视化观察发现周期性的沸腾现 象：单相流一泡状流一新形式的两相流型一单相流一新的两相流型一泡状流一单 相流一新的流型，其周期时间约为3 l s 。这种新型式两相流型在大管流动沸腾中 没有见过，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 岬的微槽，当热流密度为7 8 3 w c n l 2 ，流率1 6 8 ( c m 2 s ) 时，可视化观察 发现类似的周期沸腾现象：单相流一泡状流一塞状流一搅拌流一拉长的塞状流 单相流一泡状流一拉长的塞状流搅拌流，其周期时问约为1 4 l s 。从以上两种 实验的比较显示：塞状流和搅拌流多出现于较小的管中。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 对流型的影响较小槽要大。 q u 和m u d a w a r 【2 0 1 对山2 1 条平行的截面尺寸为宽2 3 l m ，高7 1 3 岬的矩形 槽组成的微槽群热沉的可视化发现：在热动力平衡质量含气率为零附近( 一o ) ， 微细通道内流动沸腾的实验和理论研究 流型突然转换为环流，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。 从以上的有关流型研究的总结可以看出：( 1 ) 不同实验情况下，实验观察到 的流型有很大的不同，尤其是当槽道水力直径处于l o 岬1 m m 的微槽尺寸时， 这显然是由于微尺度效应造成的。( 2 ) 流型的可视化观察发现小槽道内主要的流 型有：孤立气泡、受限气泡、环状一塞状气泡等。而在微槽道内，流型主要以环 流为主。( 3 ) 在微槽群结构中，流型的变化完全不同于常规尺寸的情况，且压降、 温度都会出现较大的波动。( 4 ) 高质量流速下的流型( g 5 0 0k ( m 2 s ) ) 在现 有的文献中未被研究，因为在这些条件下，捕捉高速移动的画面非常困难。( 5 ) 微细圆管中的强制流动沸腾流型还没有可视化的结果。 1 2 - 2 微尺度流动沸腾压降研究概况 对微通道内流动沸腾压降特性的研究，不仅可以为工程上的实际应用提供技 术资料，而且可以为探索流动沸腾换热机理提供实验依据，所以微通道内流动沸 腾压降的研究是微尺度研究的一个重要方面。 1 2 2 1 采用均匀模型 b o w e r s 和m u d a w a r l 2 1 对r 1 1 3 在微通道和小通道内的流动沸腾压降进行了 比较研究。他们发现：在沸腾初始区，当流速较小时，微通道和小通道内的压降 都很小，甚至可以忽略，他们认为这是流速较小引起的。但当进入旺盛核态沸腾 后，随着外加负荷的增加，微通道内的压降突然增加，表现出与常规尺度完全不 同的压降特性。研究者采用均相流动模型，取两相流动沸腾摩擦阻力厶= 0 0 0 3 ， 其结果对于实验结果的关联度在士3 0 内。 1 2 2 2 摩擦压降采用分相流动模型及加速度压降采用m a 州n d l i 空泡率关联式 l a z a r e k 和b l a c 0 2 1 】对进口端加热，出口端绝热情况下的摩擦压降进行了测 试，利用了c o l l i 一2 纠的关联式： 门1 巾乞= 1 + 号+ 击 其中：是l o c k h a n m a n i n e l l i 数( 简称：l m 参数) ；妒n 为两相摩擦压降因子； c 为常数。 预测结果发现当c = 3 0 时与实验结果相近。而加速度压降则是利用m a n i n e l l i 第l 章绪论 和n e l s o n s 2 3 】文献中的公式表示为： 南一。陉+ 髻一跨髻 l 2 nj 其中：_ 阢。为两相加速度压降；g 为质量流速；x 是质量含气率；a 是空 泡率；下标加代表进口；下标。甜代表出口；疋。是经验常数，用它区分不同的 流动模型。 c l l i s h o l i l l 【2 4 l 对b a r o c z y 【2 5 1 方法中的两相摩擦压降关联图曲线进行了公式化， 利用b 系数法得到了自己的摩擦压降关联式。 = 鲁孕r 啪 m 乞= 1 + ( r 2 一1 ) f 丑瓒( 1 一吒。) “5 + 矗。f r = ( 翁( 玎 其中：_ 。为两相摩擦压降；，为摩擦系数；如为两相流长度；v 为液体的比 容；肛为动力粘度；下标代表液相；下标g 代表气相；b 系数由参考文献 2 5 】 得到。 f r i e d e l l 2 6 】利用大量的圆管实验数据，归纳出垂直向上流动与水平流动的分相 模型摩擦阻力计算式。 中乞一器 e ：( 1 一并) ：+ x ：旦墨- p gj l ， n ：( 着 耽：f 盟 l n 盯j x ：( 丝) ”，( 丝) ”( 卜丝) ” p g _ u l”l 其中：巩为水力直径：肋为气液混合物密度：届为全气相摩擦系数；五。为全液 相摩擦系数。 m o r i y 锄a 和i n o u e 4 】测试了r 一“3 在3 5 o 岬的窄圆环缝内的压降情况， 其摩擦压降利用了稍稍修改的c 0 1 1 i e r 【2 2 】的摩擦压降关联式，并证明了分相流动 微圳通道内流动沸腾的实验和理论研究 模型适用于窄圆环缝的压降计算。 m 乞：1 + 鲁 k ：o 9 r e 哩 ( r e c 1 3 ) 【1( r e l 1 3 ) 其中：兄钆为液相雷诺数。 t o n g 对微槽中的过冷沸腾压降做了详尽的研究，提出了自己的预测关联 式。当空泡率较小时，采用了两相摩擦系数，观察到粗糙度对单相层流向紊流转 变的效应及胞的效应也是显著的。 w 枷g r 【2 8 】对水力直径巩为o 7 5 m m ，z ，编= 4 0 9 8 的水平布置的五条平行 矩形槽进行了测试，冷却工质为f c 8 2 。两相流压降利用分层流动模型计算，空 泡率a 由l o c 姓a n 和m a r t i n e l l i 关联式给出， 口= ( 1 + o 2 8 x 1 1 并利用了c o l l i ? 2 】的关联式： 。扫+ 要+ 击 其中c = 3 8 。 1 2 2 - 3 摩擦压降项采用分相模型及加速度压降项采用z i v i 的空泡率关联式 r a v i g l l m r a j a n 【2 9 1 对截面尺寸为宽o 2 7 m m ，高1 o m m 的5 4 条平行矩形槽群 内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 高只有少许的增加。实验还表明微通道形状对流动沸腾压降也有定的影响。 t r a i l 等【3 0 】对圆管和矩形槽内不同压力下r 一1 3 4 a 、r 一1 2 和r 1 1 3 的两相流动 压降进行了实验研究。对于不同的冷却工质都有两相流动压降随质量流速及出口 干度的增大而增大，随着饱和压力的降低而升高。同时，他们在相同的条件下对 不同冷却工质的压降进行了对比，发现蒸发潜热大的冷氨l 工质，压降相对小些， 这说明工质的热物性对流动沸腾压降有一定的影响。当微通道的水力直径相等， 而几何形状不同时，相同条件下的两相流动压降相近，说明微通道的几何形状对 第1 章绪论 压降的影响不大( 这与r a v i 毋l n 】r a j a l l 【2 9 】的结论相反) 。他们将实验数据与一些适 用于常规尺度的压降关联式的预测值进行了对比，发现预测式与实验结果不是非 常吻合，他们认为这是微尺度通道内的流动机理不同于常规通道而造成的。两相 流动压降除与卜述影响因素有关外，还与流体的表面张力、气泡的形成、生长和 运动有密切的关系。于是，在实验结果基础上他们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 【2 4 】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 m w e u 和k e w 同提出的无量纲“限制系数”： ：趔 来代替b 系数，从而对b 系数方法做了修正。 魄，_ 嘛。 1 + ( c r 2 1 ) 心矿( 1 一z ) ”7 5 其中：_ 觏。为全液相两相摩擦压降；c = 4 3 。 而加速度压降则由z i v i 的空泡率关联式确定。 l e e h j 和l e e s y 【3 l j 对槽宽为2 0 m m ，深o 4 2 m m 的低长宽比水平槽道进 行了压降和传热的研究。冷却工质为r 1 1 3 ，并保持均匀热流密度为1 5 k w ，r n 2 ， 质量含气率为o 1 5 o 7 5 ，质量流速的范围是5 0 2 0 0k ( m 2 s ) ，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： 划崎+ 描 _ 差+ 揣 其中：n 代表空泡率，利用z i v i 的空泡率关联式可得： 斗吲硝7 r 摩擦压降：利用了c 0 1 l i 0 2 2 】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， 中；，：1 + 旦+ 三 其中：c = 6 1 8 5 1 0 2 r e 咿6 。 微绑h 通道内流动沸腾的实验和理论研究 y u 等u q 对内径为2 9 8 i n i i l 的水平管内的水进行了两楣压降、沸腾抉热及c h f 的研究，系统压力保持在2 0 0 l ( p a ，质量流速为5 0 2 0 0k ( m 2 s ) ，进口温度从环 境温度直到8 0 。根据实验结果，针对层流液相和湍流蒸汽相，对c o l l i 一2 2 1 的 关联式稍作改动，得到：乞= 工1 9 。 而m i s h i m a k 和h i b i k i t 【3 3 l 采用分层模型及z i v i 空泡率关系式，考虑到管 径的影响，对c 0 1 1 i e r 关联式进行了修改： m 扫十要+ 嘉 其c 卢：c ：= z ，e ( 一。3 1 9 x l 。3 “ 。 q 咀w 和m u d a 眦l 3 4 】对2 1 条平行的截面尺寸为宽2 3 1 斗m ，高7 1 3 岬的微 槽群内水的流动沸腾进行了压降研究，并提出了新的关联式。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 c r 关联式，并考虑了尺寸效应及质量流 速的效应， 扫+ ；+ 击 其中：c 锄 1 一一”渖“ ( o 瞄，s g + o 邮) 。 1 2 3 微尺度流动沸腾换热研究概述 众所周知，通道内的流动沸腾换热由两种机理来控制：核态沸腾和对流沸腾。 核态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。在大管流动沸腾中，核态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、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通道尺寸逐渐接近， 通道内气泡更易合并，并有可能形成汽塞，从而微通道内沸腾机理与常规尺度楣 比就会发生很大的差异，换热特性也将发生很大的变化。 1 2 3 1 微通道内流动沸腾换热机理的研究 常规尺度通道内的流动沸腾换热机理尚且不是太清楚，微通道内流动沸腾换 第l 章绪论 热则更为复杂。所以尽管对目前对此进行了很多的实验研究工作，也获得了较多 的实验数据，但至今尚未形成公认的微尺度通道内的沸腾换热机理，现有的研究 大多是从实验结果入手，结合现有的理论来进行的。 彭晓峰等f 3 5 1 较早的对微通道内流动沸腾的机理进行了实验研究。他们在矩 形微槽内水的流动沸腾实验中发现：尽管水的过冷度比较高，但液体起始沸腾后 迅速达到旺盛核态沸腾，在沸腾曲线上未见明显的部分核态沸腾工况，但是换热 得到强化，这和常规通道内的核态沸腾大相径庭。而流速和过冷度对旺盛核态沸 腾换热的影响不大，这又与常规情况类似。实验还表明，液体进入核态沸腾时， 所需壁面过热度仅为3 8 ，远