（动力机械及工程专业论文）微细通道内流动沸腾实验研究.pdf

北京交通大学硕+ 学位论文 中文摘要 中文摘要 微小通道流动沸腾传热在航空航天、核工程、电子冷却等领域有着巨大的应 用前景，是当今传热传质领域研究的热点之一。本文针对微细通道内的两相流型、 传热和压降特性开展了实验研究。 建立了微细通道流动沸腾实验系统。以去离子水为工质，恒流泵作驱动功源 保持流量恒定，质量流率范围为6 1 9 6 0 5 k 咖2 s ，实验段通道宽分别是l 删、 o 5 m m ，深l i i l n l 。实验段进口工质温度维持恒温2 3 ，运用高速摄影技术记录通 道内工质由单相流向两相流转变过程以及流型变化，同时通过布置在实验件底面 的t 型热电偶记录不同工况下的壁温，沿程压降通过实验段进出口的压力传感器 测得。 考虑了通道尺寸和质量流率对始沸条件的影响，将实验数据与已有的四个始 沸条件预测关联式比较，并对流动沸腾始沸发生的机理进行分析，验证 y 0 u i l g l a p l a c e 汽、液界面的平衡机制在微细通道流动沸腾过程中的可适用性。 考虑了热流密度、质量流率、通道尺寸对微细通道内流型转变的影响，记录 了不同工况下流型的变化规律，引入无量纲参数c 口，c d 和研绘制了c 口c d b z 综 合流型图。 给出典型的沸腾曲线，分析壁面温度与加载热流密度的关系。考虑质量流率、 通道尺寸对局部换热系数和沿程压降的影响，提出微细通道内流动沸腾过程质量 流率对局部换热系数和沿程压降的影响依赖加载热流密度的观点。绘制了入口工 质处于过冷状态时，沿程压降与加载热流密度的关系曲线。 关键词：微细通道；流动沸腾；始沸；流型；传热特性；压降特性 分类号：t k l 2 4 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t w i m 吐i e 谢d eu s ei i la e r o s p a c e ，n u c l e a t i o ne n g i l l e e 血g 锄dt 1 1 ec o o l i n go fn l e e l e c t r 0 i l i c se t c ，t h en o wb o i l i i l gh e a t 仃a i l s f _ e ri i lm i c r o c h 锄e l s 趾dm i i l i c h 锄e l sh a s b e e nah o ts p o to fh e a ta n dm a l s s 咖s f h f l o wp a t t e m ，h e a t 仃a i l s f e ra n dp r e s s u r ed r o p a c r o s s 也ec h 锄e l sl 励b e e ni n v e s t i g a t e dt h r o u 曲e x p 幽e n t s e x p e d m e n t sw e r ec o n d u c t e d 而t ht h ed e 9 2 l s s e dd e i o l l i z e d 撇l t e r 础v e nb yn l ec o n - 啦呲n o wp u i 】叩w t l i c hc o u l dk e e p 仕i em 嬲sf l u ) 【( 61 9 6 0 5 k g m 2 s ) b ec o n s t a n t n v o d i f 王e r e n tc o p p e rt e s tp i e c e sw i n lam i c r o c b 脚m e lo f 、) i ，i d t l lr a n 百n gf b mo 5t o1m m ，a 1 1 w i mad e p t l lo f1 舢【n ，、e f ec o n s i d e r e d f l o wv i s u a l i z a t i o n s ，t h ep m c e s so ft l l e 位m s i t i o n f b o ms i l l 百ep h a s et o “r op h a s ea i l df l o wp a t t e n l w e r ep e r f - o n n e d 、析mah i 咖s p e e dd i 乎 i t a lv i d e oc 锄e r aw h i l et l l ew 出lt e m p e m t u r ea n d p r e s s u r ed r o pa c r o s st l l ec h 锄e l sw e r e s i m u l t a i l e o u s l yo b t a i n e dt 1 1 r o l l 曲t h et - t y p et h e 咖o c o u p l e sl o c a t e da tm eb o t t o mo ft e s t s e c t i o na n dp r e s s u r e 衄l s d u c e r sf i x e du pa ti i l l e ta 1 1 do u t l e to ft l l ec h 锄e l sr e s p e c t i v e l y c o i l s i d e 血g 恤e 旋c t so f m a s sn u ) 【a n dc l 姗n e l ss 诬0 nm eo n b ，m ef o u re x i s t - i r 培c o r r e l a t i o n s 、e r ee v a j l l 乏旺e dw i mav a r i e t ) ，o fd a t 硒o b t a i l l e d 丘o me x p e r i m e n t s t h e o n bo fn o w b o i l i n gh a sb e e n 删) ，z e d 舶mm e c h a n i s m n l e 印p l i c a b i l 时o f 恤b a l a n c em e c h a l l i s mb e 锕e e nv a p o r - l i q u i di n t e 矗配e sh 嬲b e e np r o v e di i lt l l ep r o c e s so ff l o w b o i l i n gi i lm i n i - c l 瑚m e l s 锄dm i c m c h a l l n e l s a 咖p r e h e l l s i v en o wp 哦t e mm a ph a sb e e nd e v e l o p e dt 1 1 r o u g hu t i l i z i i 培n o n d i - m e n s i o n a lp a r a m e t e r s 脏l u d 堍c 口，c d 锄db ，t h ee 仃e c t so f h e a tf l u ) 【，i n a s sf l u 】【砌d c l l a i l i l e l ss 娩eo nf l o wp a t t e n lh a v eb e e ni i l v e s t i g a t e d t i l et y p i c a ln o wb o i l i r 唱c u r 、，ei sp r e s e n t e dt oa n a l y z et l l er e l a t i o nb e t 、) 他e nc l m n e l t e m p e 例1 鹏锄dl l e a tn u ) 【i ke 行e c t so fm 嬲sn u ) 【a i l dc h a i l l l e ls i z e0 nl o c a lh e a t 觚f e rc o e f f i c i e n ta n dp r e s s u r ed 】_ o pa c r o s st h ec h a n n e lw e r e 孤l a l y z e da i l dan e w p e r - s p e c t i v et h a tn l ee 腩c t so fm a s sf l u ) 【a 1 1 dc h a i l n e ls 让豫o nl o c a lh e a t 仃a | l s f e rc o e f ! f i c i e n t 锄dp r e s s u r ed r o pw e r ed 印e n d e n to nt h eh e a tf l u xh a sb e e np r o p o s e d a n d l ec u 】e s 廿l a tp r e s e n tt 1 1 er e l a t i o n s l l i pb e t 、v e e np r e s s u r ed 1 1 0 pa n dh e a tf l u xw e r ed l 绷w l e nt ：h e i n l e tw a t e r 、) | 唧；5 n l b c 0 0 1 e d 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t k 码啊o r d s ：m i c r 0 一c h 锄e l s 趾1 dm i l l i c l l 乏衄l s ；n o wb o i l i i l g ；o n b ；n o wp a t t e m ； h e a tt m l l s f e rc k l r a c t e r i s t i c s ；p r e s s u r ed r d pc h a r 翟c t e r i s t i c s c l a s s n o ：t k l2 4 v 致谢 时光飞逝，转眼之间两年的研究生生活已经接近尾声。在此论文完成之际， 我要借这篇致谢感谢我的导师杨立新副教授和贾力教授，谢谢他们这么长时间来 的耐心教诲和不倦的指导。此外，杨老师与贾老师对学术一丝不苟的态度和对工 作的孜孜不倦的精神值得我认真学习，在这里向他们致以最崇高的敬意和衷心的 感谢! 张竹茜老师对我的论文提出了很多宝贵的意见和建议，在此对张老师表示衷 心的感谢。 感谢实验室的学长赵楠、管鹏、李星、谭泽涛、王电以及方向等同学。感谢 他们两年来在学习和生活上给我的指导和帮助。感谢史源同学，多年来给了我学 习的动力。 此外，还要感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成学业。 最后诚挚地感谢在百忙中评阅本论文的诸位专家，谨以此篇感谢所有帮助过 我的人，真诚地谢谢你们。 北京交通大学硕士学位论文 符号表 彳面积，m 2 肋邦德数 研 沸腾数 c常数 c 口 毛细数 c dc o n f i n e m e n tn u m b e r c ， 定压比热容，j ( 1 ( g k ) p h 水力直径，m 吃 气泡直径，m g重力加速度，m s 2 g 质量流率，k g ( m 2 s ) 办 对流换热系数，w ( m 2 - k ) 气液相变潜热，j 蚝 ， 电流，a 长度，m a 导热系数，w ( m k ) p 密度，州 盯 表面张力，w m c 测量值 符号表 一英文字符 二希腊字母 三下标 聊 质量流量，k 曲 p 压力，p a p 压降，p a q 热量，w g - 热流密度，w m 2 ， 气泡曲率半径 r e雷诺数 r 口 瑞利数 r 温度，k r壁面过热度，k u电压，v 甜流速，i i 以 y 比体积，m 3 l ( g x热力学干度 热入口长度，m 体积膨胀系数 万 厚度，m d 凇始沸 北京交通大学硕士学位论文 符号表 c f进口冷水 c d出口冷水 有效值 ， 液态 向f热水进口 砌热水出口 阿 参考值 j壁面 阳f饱和态 s 动过冷态 矽 两相 y气态 北京交通大学硕士学位论文绪论 1 1 课题背景与意义 第1 章绪论 流动沸腾是流体力学、传热学、热力学等交叉学科，是两相流领域研究热点。 在热量传递方式中，它是非常有效的模式。在世界范围内，各国学者已经对流动 沸腾研究有几十年之久。在二十世纪六十年代以前，相关的实验和分析主要集中 在锅炉中的流动沸腾。其中平均的传热系数和沿管道的流动压降是研究的主要内 容。b op i e 玎e 提出的预测关系式具有代表性。这种关系是基于直径大于等于2 5 m m 的蒸汽管道的实验数据提出的。 随着小吨位的制冷行业的兴起，需要用到更小直径的管道。1 9 6 4 年b e r g l e s 【1 1 发现液体核化热流密度随通道水力直径降低而升高。1 9 7 0 年s u n 和l i e n b a r d 【2 j 发 现工质的临界热流密度也有同样的趋势。1 9 6 6 年c h w l a 通过大量的实验，提供了 制冷工业领域中管道直径的应用范围。在他的实验中，最小的管道直径是3 i 砌。 在这之前还没有小于3 i i u n 的管道内流动沸腾的实验。这是比较有代表性的里程碑， 3 i 嫩被认为是常规通道直径的下限。 1 9 9 4 年v a n d e r y 0 ，】等对0 3 2 i i l n l 通道内部流动沸腾的临界热流密度测定表 明，临界热流密度值随通道直径降低而升高。随着在各个领域中热流密度的不断 增加，如航空航天、微动力系统、低温工程等，紧凑式换热器得到更广泛的应用。 更小直径为2 0 0 岬的管道开始出现。人们把2 0 0 岬- 3 衄水力直径的通道称为细 小通道。 随着微型电子系统的应用，产生了新的尺度定义。在微型机电系统中，小于 2 0 0 岬的水力直径范围已成为研究的热点。微机电系统在工程、生物医学、基因 研究等领域中的发展为流动沸腾在微米尺度水平上的应用开阔了一个新的领域。 人们把水力直径1 0 岬一2 0 0 岬范围的通道定义为微通道。 现在微通道和细小通道内流动沸腾换热已是二十一世纪传热传质界的热点之 一，在近十年之间，每年至少有四次关于微细通道及纳米领域的国际会议。在任 何一个普通的关于传热传递的会议上，微细通道的流动与沸腾都是学术界主要关 注的内容之一。 北京交通人学硕十学位论文 绪论 每年出版的文献数 l2 0 0 l o 8 0 0 e o o 4 0 0 2 0 0 。 至善蚕菱蚕奏嘉善量蚤量主主蚕量量至萋蔓量量萋量蚕= 昌：己：暑；己：己是昌昌昌昌 己晶 曷昌宝品昌：己是昌品曷曷 年年 图卜l 微尺度研究文献统计 每年出版的文献效 每年的引文 6 0 5 0 0 s o 4 0 0 枷 3 0 0 3 0 2 0 0 2 0 l o i o o 蚕堇萋要i 萋重量i 量蚕蚕量量量誊誊量量星量主：己= 己昌品：己曷品品：己曷品 曷品罱品曷曷罱品品品罱 年年 图卜2 微通道流动沸腾文献统计 由于有着广泛的应用前景，而且常规尺度的经验公式对微细通道流动特性与 换热特性预测具有较大的偏差，在传热传质领域中，微细通道内流动沸腾换热研 究更具重要性。对其歼展研究不仅能够深入认识基本现象，夯实基础理和拓展延 伸学科内涵，更是对推动采用微细结构沸腾相变传热的高技术、传热装置和元件 的整体传热强化、以及微机电系统整体性能的提升有着重要的指导意义。 1 2 研究现状 1 2 1常规尺度向小尺度的转变 j o h nr t h o m e 【4 】等提出在微尺度两相流与传热研究中，如何定义从常规尺度向 微尺度转变的标准是非常棘手的，同时这种转变的标准对于研究两相摩擦脏降与 2 文 r l f 的 午 每 o o o o o v 0 o o o o o o o o o o o o o o t 厶玑l e t 玉 北京交通大学硕士学位论文 绪论 流动沸腾过程中流型变化非常重要。有很多学者也试图找到从常规尺度向小尺度 转变的标准，希望能从中找到揭示微尺度下流动沸腾的本质特征。磁m d l i k a r 【6 】提出 基于水力直径的不同尺度划分：现 3 0 i 】 1 i i l ，常规尺度；2 0 0 p m 见 3 n 吼，小通道； 1 0 p m d 2 0 0 “m ，微通道。m e h e n d a l 【7 】等也提出了相似的划分：1 p m 绣 1 0 0 p m ， 微通道；1 0 0 “i n 见 1 r m ，中等通道；6 i 衄 2 0 0 0 2 0 0 0 湍流一湍流 2 0 2 0 0 0 层流一湍流 1 2 2 0 0 0 1 0 0 0 湍流一层流 1 0 1 0 0 0 1 0 4 ) 相比可以忽 略，由此得有效热流密度计算式如下： 办= ! 掣 ( 2 - 7 ) 锄= l 一 ( 2 7 ) ( 3 ) 实验段出口干度x 取换热器和实验段出口为控制体如图2 8 中的虚线包围部分，应用热力学第一 定律及热力学干度概念可得： 联立上述三式可得： 图2 8 出口干度计算原理图 q 硝= 所 ( 一k ) q 硝= 肌c ( 乙一瓦) = x 风+ ( 1 一x ) 吃讲= x 吆+ 魄 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) x = 堡芈兰二圈 。， x = 三_ = r 2 111 魄 p 一7 北京交通大学硕士学位论文实验系统及实验方法 式中k ，k ，吃和厅j 窖分别是换热器出口状态下工质的焓、实验段出口状态下饱 和水焓、饱和蒸汽焓和汽化潜热。假定实验过程中工质的比热容为定值。因此出 口干度可以用( 2 1 2 ) 式求得： 厂 im c ( 乙一瓦) 肌 + ( 一) i 舻l 百一 ( 2 1 2 ) 注意式( 2 1 2 ) 干度计算式根据热力平衡计算推出，当出口处于过冷沸腾状态 时，热力学干度x 是负值。 ( 4 ) 过冷与饱和长度 由于实验段进口是过冷水，流动沸腾过程中，在工质流动方向上，把通道分 成两个区域：上游的过冷区域和下游的饱和区域，这里把干度为零的点定义为这 两个区域的分界点。 两个区域的长度计算如下： k ：坠掣和k = 一 ( 2 - 1 3 ) 西一- 一制l 妇一厶一 l z 。l jj q 蟛p i l 式中乙。是干度等于零位置上的工质的饱和温度，在此论文中，乙。是测量 入口压力来估算的，这里假设过冷区域压降很小。为实验段入口温度，k 分别是过冷段与饱和段长度，三为通道的长度。事实上当发生过冷沸腾时，过冷段 会出现气泡，所以公式( 2 1 3 ) 是从理论上区分过冷沸腾和饱和沸腾区域。 ( 5 ) 工质温度砭， 在计算有效换热系数公式( 2 _ 4 ) 中，工质的温度估算如下： 1 ) 当计算点在饱和区域，假设沿程压降线性分布估算计算点的压力，求出对 应工质饱和温度，这样的线性假设是因为实验段内进出口压力接近于大气 压，工质的饱和温度沿程变化很小，所以假设压降线性分布估算工质的饱 和温度引起的误差完全由进出口压力的测量来决定。 2 ) 当计算点在过冷区域，这时过冷流体的主流温度很难去估算。假设在过冷 区域内产生的气泡很少，所以可以根据单项的能量方程去估算。 妨厶= 所肺勺( 一磊) ( 2 1 4 ) 式中三硝为计算点至通道入口的长度，厶为通道横截面加热周长。 2 3 误差分析 ( 1 ) 有效换热量最大相对误差 1 5 北京交通大学硕士学位论文 实验系统及实验方法 对公式( 2 7 ) 取对数有： l l l g = l i l 二。+ 1 1 1 勺+ l i l ( 咒一乃) 一l i l 彳 ( 2 1 5 ) 对上式进行全微分： 弛易= 鲁= 警+ 掰+ 鲁。g 够所c l 一d 以 刎蛾钇 一= 竺士一 彳 哦 三 于是有效换热量的最大相对误差为： 垒圣垒垦+ 墼+ 丝 毛一瓦q 三 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 ) 有效对沉抉热系数的最大相对误差 对公式( 2 2 ) 取对数有： h 地( 警一) 山妨 对上式进行全微分： 誓：华掣+ 箪 ( 2 - 2 0 ) kc 一 _ 一7 于是有效对流换热量的最大相对误差为： 譬= 等訾+ 箪 ( 2 - 2 。) k互一 p 一7 式( 2 3 ) 中，万珏肛的量级小于l o - 3 ，所以t 瓦。在饱和沸腾区域，式 中是由压力估算得出，由于整个通道的压降相对于环境压力非常小，所以对压 力变化进行线性假设估算的变化很小，那么o 。在过冷沸腾区域，很难 估算，所以此论文中按o 计算有效对流换热系数的最大相对误差。公 式( 2 2 1 ) 最终表示为： 坐：旦+ 鲤+ ：- = 二：一- 一+ 互一 疡。 垒圣垒圣+ 丝+ 丝 乇一瓦岛 ( 2 2 2 ) 由公式( 2 1 8 ) 和( 2 2 2 ) 可以看出，有效热量及有效对流换热系数的最大相 对误差由各个测量参数来确定，实验中的各测量参数的绝对误差由测量仪器和加 工精度确定： ，= o 1 9 ，乙= 瓦= 互= 0 1 ，a 跣= 缸= 0 5 心 i l ( 2 - 2 3 ) 1 6 + 叠耽 = 堕 北京交通大学硕士学位论文 实验系统及实验方法 瓦一壁面过热度在2 5 摄氏度之间，这里取t 一= 2 ， 二。= 1 0 咖i i l ，包= o 6 7 i 衄，三= 8 0 衄乙一瓦= 5 由此算得有效热量及有效对 流换热系数最大相对误差分别是5 1 、1 0 1 。 1 7 北京交通大学硕十学位论文 微通道流动沸腾可视化分析 3 1引言 第3 章微通道流动沸腾可视化分析 大量实验表明，在尺度减小的情况下，沸腾相变将产生与宏观大尺度不同的 特殊现象，主要表现在气泡受限等行为。 小的蒸汽干度下会发生塞状流及环状流， 与宏观大尺度通道相比，微细通道内在 这些都会引起微细通道的流动沸腾有着 不同的传热特性及压降特性，针对这些现象仍在不断继续与深入，以求深刻认识 现象物理本质，进一步揭示微细通道流动沸腾相关作用机理。本章重点研究不同 工况下微细通道内的始沸条件、流型的变化，认识微细通道内流动沸腾过程两相 流动的规律，为进一步的理论分析工作提供实验依据。 3 2 流动沸腾始沸 微通道内流动沸腾复杂的物理机理还没有被认识清楚，其中非常重要的一项 是微通道内始沸( o n b ) 的预测。始沸是工质由单相流动到两相流动的转折点， 同时伴随着工质流动过程中传热能力和压降的变化。此外，对认识气泡初始直径 大小及从核沸点脱离等重要现象，须要对始沸进行详细的研究。 很多学者提出了始沸热流密度的预测关联式，基于y o u n g l a p l a c e 和 c l 印e y r o n c l a u s i u s 方程提出满足始沸过热度方程： 坐堕：一王罂 ( 3 1 ) 出p 户 式中丁是沸水过热度。由式中可以看出沸水过热度将随着汽泡的长大而减 小，而且在逼近加热面的薄层内，沸水温度急剧升高，式中反映了在孕育中的蒸 汽泡相对小得多，需要非常高的沸水过热度，并且以乙为最大。，为气泡的曲率 半径，z 为液相的饱和温度，岛为气相的密度，是汽化潜热。 过冷流体在加热通道中流动时，随着过冷液体的受热升温，流体的主流温度f ， 和通道壁面的温度乙都将沿程升高，0 达到并超过流体的饱和温度f ，时，虽然f r 尚 未达到f 。，壁面上的液体已能局部过热，从而在有效的气化核心处开始出现并孕育 胚泡。非常明显，最初的胚泡必然处于贴壁的热边界层中，始沸热边界层的过热 流体的导热方程为： 1 8 北京交通大学硕士学位论文 微通道流动沸腾可视化分析 一鱼l ：堕( 3 2 ) 砂i 。 乃 联立( 3 1 ) 和( 3 。2 ) 式，基于热边界内气泡形状和流体温度分度的不同假设， 可推得预测始沸条件的关联式如表3 1 。 表3 1 始沸条件预测关联式 作者假设条件0 n b 关系式 h s u 【2 7 】 只要满足产生胚泡过热标准，胚泡就会继 t a ( 瓦一乙) 2 续生长 一1 2 i 吒 1 满足产生胚泡过热标准，胚泡形状是半 如墨笔筹u 2 b e 理l e s 锄dr o h 球形 j 锄o 、 r 【2 8 】 2 近壁面流体温度呈线性分布 d a v i s 锄da n d e r - ，乃岛( 瓦一乇) 2 n 【2 9 l 满足产生胚泡过热标准 2 主( 1 + ：s 臼) 盯艺 胚泡顶部液体的温度是流体热边界层温度 = 蚀盎u 2 k 锄d l i k a 一3 0 1 梯度消失的那一点的温度 影响始沸热流密度的因素有很多，包括入口温度、工质质量流率、出口压力、 通道深宽比等等。其中入口温度越低，所需始沸热流密度越大，当出现始沸时， 贴近壁面的工质处于过热或饱和状态，需要大量的热量把过冷度高的工质加热到 高温状态。出口压力高会使通道内流体的饱和温度升高，同样把过冷度一样的工 质加热到饱和态，出口压力高的流动状态需要更多的热量。通道的深宽比主要影 响单相流动的传热系数，这样会影响工质从壁面带走的热量，导致壁面的过热度 不同。工质的质量流率越高，相对于同样的入口温度，高流速所需的始沸热流密 度越高，同时由于流速不同引起的流动过程中壁面处的切剪力不同，导致始沸时 气泡脱离的直径也不同，流流越高，对应的气泡脱离直径越小。质量流率是影响 流型转变的最重要因素之一，在始沸的研究中主要分析工质质量流率对始沸条件 的影响【3 l 】。 当入口工质处于过冷状态，随着热流密度增加，在接近实验段出口处出现单 个或较少数量的汽泡( 如图3 1 ) ，这时测量出的参数定义为始沸条件，实验过程 中通过c c d 判别和记录始沸状态。表3 - 2 给出了实验典型工况的始沸参数。图3 - 2 、 3 3 直观地说明了质量流率对始沸条件的影响，随着质量流率的增大，始沸所需要 的热流密度增加，始沸时壁面过热度增大。 1 9 北京交通人学硕+ 学位论文微通道流动沸腾可视化分析 厂i _ i q 圭1 1 j l 岂一 图3 一l 始沸时钏始胚泡( w = l m m ，流速o 2 3 i i l s ) 表3 2 微细通道流动沸腾始沸参数表 q ( 州s ) 足 g ( k 咖2 s )死( 。c )厶( p a )l 。( 。c )l 一乇，( 。c )( w c m 2 ) ( m m ) o 0 67 l6 1 92 3 21 0 1 4 6 5l o o 1 61 9 94 2 8 l 0 1 l1 2 91 1 32 3 11 0 2 0 0 51 0 0 4 l2 6 27 1 2 o 1 71 9 41 6 92 2 6l o l 3 1 51 0 0 1 53 2 79 8 2 0 1 21 3 l1 1 42 3 99 8 9 7 59 9 3 32 2 55 5 o 6 7o 2 32 5 92 2 62 4 21 0 1 0 8 59 9 8 83 5 51 l o 3 43 8 33 3 42 4 29 6 3 0 09 9 5 54 2 51 6 4 g = 1 1 3 l | 抵 g = 1 6 9 l 【e ，m 2 s 4g ：2 7 3 k “盹 g ：3 0 3 k m z s 3 p 、一， 型 鬟2 捌 i z os l ol s2 0 有交叟热流密度( w 锄z ) 图3 2w = l 岫通道内始沸条件 2 0 北京交通人学硕十学位论文 微通道流动沸腾可视化分析 d，1 口1 ，z o z ，j u 有效热河毒密度( w7 锄t ) 图3 3w = 0 5 砌通道内始沸条件 d o n gl i u ( 通道宽0 2 7 5 m m ，深o 6 3 6 m m ) 和w q u 3 3 1 的实验发现在微小通 道内，有同样的变化趋势。从传热机理上分析，流速改变影响了贴壁热边界层内 流体的温度分布，流速越高，热边界层内流体的贴壁温度梯度越大，从而提高始 沸时的壁热流负荷即始沸热流密度。 从热力学角度分析，形成胚泡的汽化核心通常是加热面上过热度最高、且使 局部薄液膜脱离固体壁面耗功最小的那些点，要使汽、液界面推动周围薄液膜沿 四周拉伸某个距离，就要克服表面张力及流动剪切力做功d w ，以使液膜脱离壁面 以及汽、液界面范围扩大，这就是汽泡的产生和牛长过程。如图3 4 所示，壁面加 热为汽泡牛长过程中汽泡的内能增量及汽泡膨胀做功提供能量，热量传输是通过 壁面与薄液膜之间温差实现，当流速增大时，汽泡克服表面张力及剪切力做功越 多，所需从壁面获得的热量越大，因此壁面与薄液膜之间的温差将增大，假设此 时汽、液两相饱和温度不变，则擘面处流体过热度也相应增大。 汽泡 ! ； _ u ：二 图3 4 汽泡生长过程近壁面处能量平衡示意图 把壁面过热度作为热流密度的函数，图3 5 和图3 6 分别给出了两种通道尺度 下实验始沸数据与表3 一l 中的始沸关联式预测结果之间的比较。在常压、低流速工 况下，各关联式预测结果趋势基本一致，实验值与h s u 模型预测结果更接近。 2 l 5 4 3 2 l o pv世韬 北京交通人学硕十学位论文微通道流动沸腾可视化分析 宽为o 5 i m n 通道的壁面过热度实验值略高于模型预测结果，如前面的分析，当质 量流量不变，随着通道尺寸的减小，近壁面处液体的剪切力增大，使产牛汽泡时 所需壁面过热度增加。 osl o1 52 02 5 有效热流密度( w t m l ) 图3 5w = l 姗实验数据与预测模型比较 o 5 坫2 5 有效热；楮度( w 伯r ) 图3 6w = 0 5 啪实验数据与预测模型比较 3 3 微细通道流动沸腾流型 在实验过程中发现在水平放置的微细通道内，热流密度丰要控制着气泡的牛 长，由气液两相密度差产牛的浮升力及蒸发动量力不能使气泡脱离壁面，在微细 通道内流动沸腾时，剪切力及液相动量力是气泡脱离及滑移的丰要因素，表面张 2 2 s 3 2 l o dv毽氍明旧铷 s 3 2 l o pv馁霰翊旧制 北京交通大学硕士学位论文 微通道流动沸腾可视化分析 力起到抑制汽泡脱离壁面、滑移、生长的作用，液相的静压力也是抑制气泡生长 的主要因素【2 6 1 ，控制微细通道内流动沸腾两相流动状态因素的分析有助于我们迸一 步了解流动沸腾过程中流型的分布及转变条件，帮助我们绘制出对实践有指导作 用的流型图。 本论文中各工况的实验出现的流型主要分为：泡状流，塞状流，环状流，与 c o m w e l l l 8 】对流型的分类相似。这种分类主要基于在实验中观察到只有这三种流型 会以稳定的时间周期变化出现，有助于对进一步分析微细通道流动沸腾的传热及 压降特性。在不同的通道尺寸、质量流率和质量流量工况下，这些流型会有不同 的特征，但是每种流型的基本特征不变。图3 7 描述了在1 1 1 1 i i l 通道内，质量流率 为5 4 8 k g m ：s 、热流密度为6 5 1 k w m ：时的流型，其中流动方向是从左到右，为了 更好的区分两相流中的液相和蒸汽相，每一种流型的右边都画有相应的示意图。 0 p 讧。 拇。= 缸翰意z k 霉赫一渤飘，蛳o 黼撕州州纽i 黜jx o # ；批静 州* 蟛秽端而“o 舯惭_ ：“嘞黔“一一，”p 一嚣翟炒埘唾# 液相流单相液体 鬈鬻攀豢鬣霾缀鬻戮鳜缀缀缕鬻鬯黥篱鬟 溯绣嘉磁瞪：i 缫髅鬟慧霆夔囊缓 oo oo o 弱易黪螽勃瓣纛灞霸 泡状流 再0o( j 雠j 。“* 踟臻獬黪戆恐镄 酒_ 釜霉，；葛黍誓 i 譬缫鬻糊。 暖缓黪渊 塞状流 ；9 鎏( f 黪溺 i 瑟舞：嚣荔澜 豳；篷：鍪鍪鬣 1 蓊淤孽懑 g 研，弼弼，；_ 。累翳黝嘲黟臻翳搿霉鼎霹孵獭m 嗍。日聊 * 槲 nf 纛j * ，巍 一 ：；豫一7 黪簇。i 。j 荔荔j 鳜j 貉 8 _ _ 1 _ 1 环状流 ” 。 _ m 。t “。4 。一一。：二二蝌。础。一 “二“ 北京交通大学硕士学位论文 微通道流动沸腾可视化分析 3 3 1 热流密度对流型的转变的作用 通过c c d 记录的实验图像发现，入口工质处于过冷时，随着热流密度逐渐增 加，通道内会出现稳定的泡状流，但是没有观察到稳定的塞状流，如图3 - 7 所示， 不同的流动状态会以一定的时间周期性出现，不同工况下，每种流型在转变周期 内所占的比例不同。图3 8 描述了水平放置的1 喇1 吼通道内，质量流率为 6 4 1 k g m ：s 、热流密度分别为6 0 9 w e m 2 、7 7 2 w c m 2 时的流型周期变化。在此热 流密度工况下，壁面的高热流密度引起单相液流未流到观察区域已部分发生相变， 气泡生成速率过高使泡状流快速转变成环状流，因此在观察区域内没有发现塞状 流及非常短暂的单相液流。 定义从泡状流开始出现到通道内重新出现单相液流的时间为一个流型转变周 期，出现泡状流的第一张图片的时间为o s ，图中显示了每个流型转变周期内泡状 流的发生、发展，环状流的出现、消失，单相液流的出现及泡状流再发生的循环 过程。 如图3 8 所示，当平均流速一定，与低热流密度工况下流型转变周期相比，高 热流密度下流型的转变周期小。热流密度为6 0 9 w c m 2 、出口蒸汽干度0 5 9 时， 流型转变周期是1 2 5 s ，泡状流和环状流状态占整个流型转变周期分别是3 9 、 5 3 。热流密度为7 7 2 w c m 2 、出口蒸汽干度2 4 8 时，流型转变周期是0 3 8 s ， 泡状流和环状流占整个流型转变周期分别是2 1 、6 9 7 ，高热流密度工况下，从 泡状流到环状流的转变周期变短，环状流所占的比例逐渐增大，产生这种现象的 原因是在质量流率为6 4 1 k 卧n 2s 时，由于高热流密度使气泡生成速率更快，使泡 状流急速转变成环状流，下游的平均流速迅速增大，导致沿程的加速压降急剧增 加引起流动不稳定，当流体平均质量流量一定时，由于加速压降增加引起的不稳 定程度与加载热流密度成正比，进口驱动压力会随着加速增加而增加，引起工质 瞬时质量流量变大，增加了上游流体对下游流体的推动作用，完成流型周期的转 变，随着热流密度增加，上述的流动不稳定发生的频率更大，导致流型转变周期 缩短。 图3 9 同样显示了在定质量流率下，流型转变周期长短随热流密度的变化规 律，质量流率为1 1 4 k 幽n 2 s 、热流密度为1 0 删时，平均出口蒸汽干度是1 4 1 ， 流型转变周期为4 3 5 s ，泡状流和环状流所占比例分别为6 7 、3 1 ；热流密度为 1 1w c m 2 时，平均出口干度是o 6 9 ，流型转变周期为4 2 3 s ，泡状流和环状流所 占比例分别为3 9 7 、5 7 2 。 实验结果发现，入口工质处于过冷状态时，实验过程中没有发现稳定的塞状 2 4 北京交通大学硕士学位论文 微通道流动沸腾可视化分析 流、环状流等现象，不同流型之间以一定的时间周期交替的出现，说明文献中饱 和沸腾流型图及绝热系统的流型图对入口是高过冷状态的流动沸腾不再适用，类 似文献f 5 1 中在不同质量流率下以蒸汽干度判断通道内流型状态不准确，出口蒸汽干 度只能判断不同流型之间转变周期的长短以及不同流型在流型转变周期内所占时 间比例的相对大小。 g = 6 0 9 w c m 2g = 7 7 2 w c m 2 o s0 s 0 4 8 s o 0 7 s o 5 3 s 0 1 s 1 1 8 s o 3 3 s 1 2 5 s 0 3 8 s 图3 8w = 1 姗，入口温度2 3 2 ，质量流率6 1 9 k g 舻s 北京交通大学硕士学位论文微通道流动沸腾可视化分析 g = 1 0 w c m 2g = 1 1 w c m 2 0 s 0 s 2 9 s 1 6 8 s 2 9 5 s 1 7 5 s 4 3 0 s 4 1 7 s 4 _ 3 5 s 4 2 3 s 图3 9w = l 舢，入口温度2 2 8 ，质量流率1 1 4 k g m 2s 3 3 2 质量流率与通道尺寸对流型转变的作用 通过对引起气泡在通道内生长及脱离的因素分析可以知道，高质量流率会使 气泡脱离的频率更快，且气泡脱离的直径变小，这样会减轻小通道对气泡生长的 限制作用。 如图3 1 0 所示，在1 m m 通道内，实验段出口热力学干度为1 4 1 时，由于高 流速液流的强剪切作用，使得气泡从壁面脱离的频率高、脱离时气泡直径更小。 质量流率为1 6 9 k 咖2s 时，从泡状流到环状流的转变过程中，类似质量流率为 北京交通大学硕十学位论文 微通道流动沸腾可视化分析 1 1 4 k 咖：s 时小气泡生长成大气泡再聚合的现象没有出现，整个流型转