带矩形重入腔的直肋微通道内流动沸腾换热特性

带矩形重入腔的直肋微通道内流动沸腾换热特

性

目录

一、内容概括..................................................2

1.1研究背景与意义........................................2

1.2国内外研究现状及发展趋势..............................3

二、理论基础..................................................5

2.1微通道内流动沸腾换热的物理原理.......................6

2.2带矩形重入腔的直肋微通道结构特点.....................7

三、实验方法与装置...........................................8

3.1实验材料与参数........................................9

3.2实验过程与步骤.......................................10

3.3数据采集与处理方法...................................11

四、实验结果与分析..........................................12

4.1不同工况下的流动沸腾换热特性.........................13

4.2不同操作参数市流动沸腾换热特性的影响................14

4.3矩形重入腔对流动沸腾换热特性的影响..................15

五、优化设计与性能提升策略..................................16

5.1设计优化方案.........................................18

5.2性能提升措施.........................................19

六、结论与展望..............................................20

6.1主要研究结论.........................................21

6.2研究局限性与未来研究方向............................22

一、内容概括

引言：简要介绍微通道流动沸腾换热的背景和研究意义，以及带

矩形重入腔的直肋微通道结构的设计和制it现状。

微通道和矩形重入腔结构描述：详细阐述微通道以及矩形重入腔

的结构特征，包括尺寸、形状、材料等。

流动沸腾实验设置：介绍实验系统、实验介质、操作条件以及数

据测量方法。

流动沸腾换热特性分析：分析带矩形重入腔的直肋微通道内流动

沸腾的换热性能，包括传热系数、温度分布、压力降等参数的变化规

律。

影响因素研究：探讨结构参数、操作条件等因素对流动沸腾换热

特性的影响。

结果与讨论：对实验结果进行分析和讨论，总结带矩形重入腔的

直肋微通道内流动沸腾换热的优势和潜在问题。

本文还将涉及到数值模拟方法在流动沸腾换热研究中的应用，以

及对现有文献的综述和分析，以更全面地了解带矩形重入腔的直肋微

通道内流动沸腾换热的特性和机制。

1.1研究背景与意义

随着科技的不断发展，对于高效、紧凑的换热器的需求日益增加。

在这种背景下，微通道换热器因其具有高传热系数、紧凑的结构和轻

量化的特点而受到了广泛关注。在传统微通道换热器的应用中，面临

着一些挑战，如流动沸腾换热性能不足、易结垢等问题。为了克服这

些挑战，研究者们开始致力于研究带矩形重入腔的直肋微通道内流动

沸腾换热特性。

研究背景表明，流动沸腾换热是微通道换热器中的重要传热机制

之一，对微通道换热器的性能有着重要影响。在传统的微通道换热器

中，由于受到几何形状和流体动力特性的限制，流动沸腾换热性能往

往不能达到理想状态。研究带矩形重入腔的直肋微通道内流动沸腾换

热特性，对于提高微通道换热器的性能具有重要意义。

随着能源危机和环保意识的不断提高，对于高效、环保的换热器

的需求也日益增加。带矩形重入腔的直肋微通道内流动沸腾换热特性

研究，可以为新型高效换热器的设计和优化提供理论依据和技术支持,

有助于推动微通道换热器技术的进步和发展。

1.2国内外研究现状及发展趋势

对于带矩形重入腔的直肋微通道内的流动沸腾换热特性的研究

尚处于发展阶段。研究者主要关注微通道内的流体流动行为、传热性

能以及影响因素等方面。随着微纳制造技术的发展，微通道热沉的应

用逐渐增多，关于微通道内流动沸腾的研究也日渐丰富。国内的研究

主要集中在理论模型建立、实验研究和数值模拟三个方面。研究者通

过搭建实验平台，对微通道内的流动沸腾现象进行实验研究，同时结

合数值模拟方法，对实验结果进行分析和验证。由于微尺度下的复杂

性和挑战性，国内在该领域的研究仍面临诸多问题和挑战。

国外在带矩形重入腔的直肋微通道内流动沸腾换热特性的研究

上起步较早，研究相对成熟。研究者不仅关注基础理论的探索，还注

重实际应用的研究。在实验研究和数值模拟方面，国外研究者采用了

先进的实验技术和模拟方法，对微通道内的流动沸腾现象进行了深入

的研究。国外研究者还开展了关于微通道热沉的优化设计、材料选择

等方面的研究，以提高微通道内的传热性能。国外研究者还关注微通

道内的流体动力学特性、气泡行为以及热质传递机理等方面，为带矩

形重入腔的直肋微逋道内的流动沸腾换热特性的研究提供了丰富的

理论支撑。

随着微型电子器件的广泛应用和集成甩路技术的发展，对于微型

热管理系统的需求日益增长。带矩形重入腔的直肋微通道作为一种高

效的热沉结构，其流动沸腾换热特性的研究将越来越受到关注。国内

外研究者将继续深入研究微通道内的流动沸腾现象，揭示其传热机理

和影响因素。随着先进制造技术的发展，微通道热沉的制造精度和性

能将不断提高，为实际应用提供更强的技术支撑。研究者还将关注微

通道内的流体动力学特性、气泡行为以及热质传递过程的优化，以提

高微通道热沉的传热性能和使用寿命。

带矩形重入腔的直肋微通道内流动沸腾换热特性的研究具有重

要意义，国内外研究者正在积极开展相关研究，并随着技术的发展和

需求的增长，该领域的研究将越来越深入和广泛。

二、理论基础

在本研究中，我们采用计算流体动力学（CFD）方法对带矩形重

入腔的直肋微通道内的流动沸腾换热特性进行研究。我们需要了解微

通道内流体流动的基本方程，即连续性方程、动量方程和能量方程。

连续性方程：表示微通道内流体质量的守恒。对于不可压缩流体,

连续性方程可表示为：

u是速度变化，A是微通道横截面积，Qc是单位时间内流过微

通道的流体质量。

动量方程：描述流体在微通道内的动量守恒。对于不可压缩流体,

动量方程可表示为:

P是微通道内的压力降，f是流体密度，U是流体速度，U是速

度梯度。

能量方程：表示微通道内流体能量的守恒。对于可压缩流体，能

量方程可表示为：

k是流体动力粘度，L是微通道长度，a是微通道宽度，是流体

动力粘度。

为了研究沸腾换热过程，我们需要引入沸腾换热系数(Nu),它

是衡量微通道内沸腾换热性能的重要参数。沸腾换热系数可以通过实

验或数值模拟方法获得，在本研究中，我们将使用实验数据来验证所

建立模型的准确性。

在本研究中，我们将运用CFD方法对带矩形重入腔的直肋微通道

内的流动沸腾换热特性进行深入研究，为优化微通道换热器提供理论

依据。

2.1微通道内流动沸腾换热的物理原理

在微通道内，由于通道尺寸远小于分子自由程，因此流体的行为

表现出明显的惯性效应和热边界层的影响。当流体在微通道中受到外

部加热时，会在通道内部形成一层薄薄的热边界层。这层热边界层的

厚度通常在几十到几百微米之间，取决于加热功率、流体温度以及微

通道的具体几何形状。

在热边界层内，流体的温度沿着垂直于通道壁面的方向逐渐升高。

当流体的温度达到其饱和蒸汽压时，流体开始蒸发并形成蒸汽泡。这

些蒸汽泡在微通道内部迅速生长和聚结，最终可能导致通道内流动结

构的破坏，即所谓的沸腾现象。

微通道内流动沸腾换热的物理原理涉及多个复杂的过程，包括流

体的对流、传热、相变等。为了更深入地理解这些过程，研究者们通

常会采用实验测量、数值模拟和理论分析等方法。通过这些方法，可

以揭示微通道内流动沸腾换热的定量关系和机理，为微流控、热交换

和能源转换等领域提供重要的理论支持和技术指导。

2.2带矩形重入腔的直肋微通道结构特点

矩形重入腔设计：在微通道的入口处设置了一个矩形重入腔，用

于引导气流进入微通道。矩形重入腔的长度和宽度可根据实际需要进

行设计，以满足不同工况下的需求。

直肋结构：在微通道内部设置有直肋，直肋的高度和间距可根据

需要进行调整。直肋的主要作用是增加流体的扰动，从而提高沸腾换

热的效率。

紧凑布局：带矩形重入腔的直肋微通道采用紧凑的布局方式，使

得整个通道的尺寸较小，有利于减小设备的体积和成本。

流体阻力小：由于直肋的存在，微通道内的流体在流动过程中受

到较小的阻力，有利于提高设备的运行效率。

易于制造和安装：带矩形重入腔的直肋微通道的结构简单，易于

制造和安装，降低了生产成本和提高设备的可靠性。

带矩形重入腔的直肋微通道结构具有多种优点，如紧凑布局、流

体阻力小、易于制造和安装等，使其在微通道沸腾换热领域具有广泛

的应用前景。

三、实验方法与装置

实验段设计：本实验在长方形通道内布置了若干根带有矩形重入

腔的直肋作为换热元件。矩形重入腔的尺寸为20mmi0mm,高度与通

道高度相等。实验段总长度为200nnn,宽度和高度分别为20mm和lOmm。

微观结构参数确定：通过数值模拟方法对不同肋片间距、肋片高

度和液体流量等参数下的沸腾换热性能进行模拟分析，优化出具有较

高换热性能的参数组合。实验中采用的肋片间距为5mm,肋片高度为

3mm,液体流量为Lmino

实验系统搭建：实验系统主要由供液系统、实验段、数据采集与

处理系统组成。供液系统采用蠕动泵，以实现液体在实验段内的稳定

流动；实验段采用夹具固定，确保在实验过程中不受外界力的影响；

数据采集与处理系统包括温度传感器、压力传感器和流量计，用于实

时监测实验过程中的温度、压力和流量变化，并将数据传输至计算机

进行处理和分析。

实验过程控制：为保证实验结果的准确性和可靠性，实验过程中

需对供液速度、实验段温度和压力等进行精确控制。为避免实验过程

中出现不稳定性，实验过程中需保持恒温环境，以减小环境温度对实

验结果的影响。

3.1实验材料与参数

在本实验中，我们选用了具有高热传导性能的材料来制备微通道

管。实验中所使用的微通道管材料为铜，其具有良好的导热性和加工

性能。为了确保实验结果的准确性和可重复性，我们在实验过程中还

采用了高精度的测量设备，如温度传感器和压力传感器等。

微通道管内径：根据实验需求而定，本实验中采用的微通道管内

径为200m。

带矩形重入腔的直肋高度：本实验中采用的带矩形重入腔的直肋

高度为5mmo

带矩形重入腔的直肋间距：本实验中采用的带矩形重入腔的直肋

间距为lOmmo

气体流量：通过调节阀门开度来控制气体的流速，本实验中采用

的气体流量为Lmino

3.2实验过程与步骤

根据实验要求，设计并加工了带有矩形重入腔的直肋微通道。该

通道具有特定的尺寸和结构，以便进行后续的实验研究。

选用合适的工质，如水或制冷剂，作为实验介质。确保工质在实

验过程中的温度、压力和流量等参数易于控制。

在实验过程中，首先对微通道进行预热，使其达到实验所需的初

始温度。通过精确控制工质的流量、入口温度和压力等参数，实现微

通道内流动沸腾换热的实验条件。

使用高精度测量设备，实时监测微通道内工质的温度、压力、流

量等关键参数。这些数据将用于后续的数据分析和处理。

在实验过程中，观察并记录微通道内的沸腾换热现象，如沸腾起

始点、沸腾面积、传热系数等V这些现象对于理解流动沸腾换热的机

理具有重要意义。

根据实验结果，分析并讨论矩形重入腔对直肋微通道内流动沸腾

换热特性的影响。通过对比不同工况下的实验数据，揭示其规律和特

点。

根据实验结果和讨论，提出改善微通道内流动沸腾换热性能的建

议和措施。这将为实际应用中的微通道换热器设计和优化提供理论依

据。

3.3数据采集与处理方法

温度数据采集：使用高精度温度传感器，对微通道内流体的温度

进行实时监测和记录。传感器被放置在关键位置，包括入口、出口、

以及沿通道的不同高度和肋片间的位置。

流量测量：通过精确的流量计来监测流体的流量，确保流量的稳

定性。我们还对流体在重入腔内的流动模式进行了观察和记录。

压力数据收集：使用压力传感器来记录微通道内的压力变化，特

别是在流动沸腾过程中的压力波动。

所有采集到的数据都经过严格的处理以确保其准确性和可靠性。

处理过程包括以下步骤：

换热性能参数计算：根据实验测得的温度、流量、热负荷等数据,

计算相应的传热系数和换热性能参数，例如热传导系数、传热效率等V

数据对比与分析：将实验数据与理论模型或先前研究的数据进行

对比分析，以验证模型的准确性和适用性。同时分析不同条件下的数

据差异，探讨矩形重入腔和直肋结构对流动沸腾换热特性的影响。

数据可视化处埋：将处埋后的数据进行可视化处埋，如绘制图表

等，以便更直观地展示实验结果和分析结果。

四、实验结果与分析

为了深入研究带矩形重入腔的直肋微通道内流动沸腾换热特性,

本研究进行了一系列实验。我们改变实验条件如工作压力、加热功率

和热流密度等，以观察和分析不同条件下微通道内的沸腾换热表现。

实验结果表明，在所研究的参数范围内，随着工作压力的增加，

沸腾换热系数先升高后降低，而在高压力区域，变化趋于平缓。加热

功率的增加也会使沸腾换热系数增大，但增长速度逐渐减慢。而热流

密度的提高对沸腾换热系数的影响相对较小。

在实验过程中，我们还发现带矩形重入腔的直肋微通道内流动沸

腾换热具有较高的换热性能。这主要得益于矩形重入腔的设计，使得

微通道内流体在高温高压条件下能够形成强烈的扰动和充分的对流

交换，从而提高换热效率。

通过对实验数据的详细分析，我们进一步揭示了带矩形重入腔的

直肋微通道内流动沸腾换热的机理U沸腾换热主要依赖于微通道内液

体的受迫对流和汽化核心的形成与脱离。在高温高压条件下，液体分

子获得足够的能量发生汽化，形成汽化核心并脱离壁面，实现高效的

热量传递。

本实验研究了带矩形重入腔的直肋微逋道内流动沸腾换热特性，

并通过实验结果与分析揭示了其换热机理。研究结果为微通道换热器

的设计和优化提供了重要的理论依据和实验数据支撑。

4.1不同工况下的流动沸腾换热特性

入口速度分布对流动沸腾换热特性有很大影响，当入口速度分布

较均匀时，流体在通道内的停留时间较长，有利于充分发展湍流，从

而提高换热效率。当入口速度分布不均匀时，可能会导致部分区域的

湍流发展不足，换热效率降低。

流体性质包括物性参数（如密度、比热容、粘度等）和物性结构（如

流态、对流系数等）。这些参数会影响流体在通道内的流动状态和传

热性能，密度较大的流体在通道内的运动受阻较大，可能需要较高的

入口速度才能保持充分发展的湍流；而对流系数较大的流体则容易形

成强烈的对流传热。

通道几何形状包括尺寸、壁面粗糙度、通道长度等。这些参数会

影响流体在通道内的流动阻力和传热面积，较长的通道可以增加流体

的停留时间，有利于湍流的发展；而较窄的通道则会增加流体的流动

阻力，降低换热效率。壁面粗糙度也会影响流体的黏附和摩擦力，从

而影响换热性能。

流动方式包括单相流和多相流，单相流是指流体中只包含一种物

质成分，如水蒸气与空气的混合物。多相流是指流体中包含两种或更

多种物质成分，如水蒸气与空气的混合物中的水滴。多相流的流动特

性与单相流有很大差异，需要采用特殊的分析方法进行研究。

4.2不同操作参数对流动沸腾换热特性的影响

在研究带矩形重入腔的直肋微通道内流动沸腾换热特性的过程

中，操作参数的变化对流动沸腾换热特性产生显著影响。本节主要探

讨不同操作参数，如流量、热流密度、蒸汽压力以及溶液浓度等，对

流动沸腾换热特性的具体影响。

流量影响：流量是流动沸腾过程中的重要参数之一。随着流量的

增加，工质在微通道内的流速加快，增强了工质与传热壁面的热交换

能力。流量的增加导致单位时间内进入重入腔的气泡数量增多，提高

了汽液相变过程中的热转移效率。

热流密度影响：热流密度的变化直接影响传热过程的速率和方向。

在较高的热流密度下，微通道壁面的温度上升较快，促使更多的热量

从壁面传递到工质中，加速沸腾过程。但过高的热流密度可能导致局

部热应力增大，甚至引发热疲劳问题U

蒸汽压力影响：蒸汽压力的变化直接关系到汽液相平衡状态。随

着蒸汽压力的增加，液体沸点升高，影响沸腾过程的起始和持续条件。

在较高蒸汽压力下，工质的汽化潜热增加，对流动沸腾的换热性能产

生影响。

溶液浓度影响：当工作介质为溶液时•，溶液浓度是一个重要参数。

随着溶液浓度的增加，其物理性质如表面张力、粘度等发生变化，这

会影响到流动和传热特性。浓度较高的溶液往往具有更好的导热性能,

但同时溶液的沸点也可能随浓度的升高而变化。溶液中溶质的种类和

性质也会对流动沸腾的换热特性产生影响。

不同操作参数的变化对带矩形重入腔的直肋微通道内流动沸腾

换热特性具有重要影响。在实际应用中，需要根据具体的工况和操作

需求，对这些参数进行优化和控制，以实现最佳的传热效果。

4.3矩形重入腔对流动沸腾换热特性的影响

在矩形重入腔中，流体的流动沸腾换热特性受到多种因素的影响。

矩形重入腔的入口形状和尺寸对流动沸腾换热系数有显著影响。当入

口宽度增加时，流体在腔内的惯性作用减弱，从而降低了流动沸腾换

热系数。入口角度的变化也会影响流体的流动状态，进而影响沸腾换

热效果。

矩形重入腔内部流体的流动状态对其沸腾换热特性也有重要影

响。当流体在腔内充分发展时，流动沸腾换热系数较高。当流体在腔

内存在死水区或涡流时，流动沸腾换热系数会降低。在设计矩形重入

腔时，需要合理布置流道，以促进流体的充分发展，提高流动沸腾换

热效率。

矩形重入腔的温度场分布对其沸腾换热特性也有影响，在高温区

域，流体的蒸发和冷凝相互作用强烈，从而提高沸腾换热系数。在低

温区域，流体的蒸发和冷凝作用较弱，导致沸腾换热系数降低。在设

计矩形重入腔时，需要合理布置温度传感器和加热器等设备，以控制

腔内的温度场分布，提高沸腾换热效率。

矩形重入腔的结构参数、内部流体的流动状态以及温度场分布等

因素都会影响流动沸腾换热特性。在实际应用中，需要根据具体需求

和条件，综合考虑这些因素，以优化矩形重入腔的设计，提高流动沸

腾换热效率。

五、优化设计与性能提升策略

优化结构设计：通过改变直肋微通道的几何形状、尺寸和间距，

以及重入腔的形状和尺寸，可以有效地影响流体在微通道内的流动状

态和传热效果。增加直肋的数量和高度可以提高流体的湍流程度，从

而增强传热效果；调整重入腔的形状和尺寸可以改变流体的速度分布,

进而影响传热系数。

采用合适的流动方式：根据实际工况和需求，选择合适的流动方

式（如层流、湍流或混合流）对于提高换热效率至关重要。在湍流条件

下，流体的传热系数会显著增加，但同时也会增加阻力损失；而在层

流条件下，流体的传热系数较低，但压力降较小。需要在保证换热效

果的前提下，综合考虑流体的动力性能和压降。

优化材料选择：选用合适的材料对于提高换热器的性能具有重要

意义。金属基材具有良好的导热性能和力学性能，适用于高温高压环

境；非金属材料（如陶瓷、石墨等）具有较高的抗腐蚀性和耐磨性，适

用于化学腐蚀介质或高速流体环境。还可以采用复合材料，将不同材

料的优良性能相结合，以满足特定的工况要求。

提高制造工艺水平：通过改进加工工艺和装备，可以降低换热器

的制造成本，提高其性能和可靠性。例如。

引入先进控制技术：通过应用现代控制理论和方法（如模糊控制、

神经网络、自适应控制等），可以实现对换热器运行过程的精确控制和

优化调度。利用模糊控制可以根据实际工况自动调整进出口温度、流

量等参数，以达到最佳的换热效果；利用神经网络可以预测换热器在

不同工况下的性能表现，为优化设计提供依据。

5.1设计优化方案

深度与宽度调整：根据实验数据和模拟结果，对矩形重入腔的深

度和宽度进行合理调整，以优化流体流动路径和热量传递效率。

入口设计优化：改进入口设计，使得流体在进入重入腔时能够形

成更好的流动分布，减少流动死区，增强换热性能。

考虑到直肋在提高传热表面强度和引导流体流动方向方面的作

用，进行以下优化措施：

肋片形状改进：尝试不同的肋片形状（如V型、U型等），以找

到最佳的传热效果和压力损失之间的平衡。

肋片间距调整：通过调整肋片间距，优化流体在通道内的流动状

态，提高流体与传热表面的接触效率。

通道尺寸精细化设计：根据实际应用场景和流体特性，精细化设

计微通道的尺寸，确保通道内的流体能够保持稳定流动并实现高效传

热。

通道布局创新：通过引入新型的微通道布局结构，如分叉式、交

叉式等，改变流体的流动路径和流动状态，以提高热量传递效率。

在设计优化过程中，结合实验验证和数值模拟方法，不断验证和

优化设计方案，确保设计的有效性、可行性和经济性。

为了实时监控和调整微通道内的流动沸腾状态，建议引入智能控

制系统，通过实时数据采集和处理，对微通道内的流体温度、流速等

参数进行动态调整，以实现最优的换热效果。

5.2性能提升措施

根据实验需求，我们选择了具有高热导率和耐腐蚀性的材料，如

铜、铝等。还对所选材料进行了特殊的表面处理，如阳极氧化、镀层

等，以提高其表面硬度和抗腐蚀能力，从而提高微通道内沸腾换热的

性能。

在保持带矩形重入腔的直肋微通道的基本结构基础上，通过调整

肋片间距、高度和形状等参数，以优化微逋道内的流动状态和传热性

能。实验结果表明，当肋片间距减小，高度增加时，微通道内的沸腾

换热性能得到显著提高。

为了实现更高效的沸腾换热，本研究采用了气液两相流控制技术,

如节流阀、气液泵等设备，以调节气液两相流的流量和速度，从而优

化微通道内的沸腾换热效果。

在微通道内流动沸腾换热过程中，外部热源供给对提高换热性能

具有重要意义。本研究通过采用电加热、热管等外部热源供给方式，

为微通道提供稳定的热量输入，从而提高沸腾换热的性能。

为了提高微通道内沸腾换热的稳定性，本研究设计了膨胀水箱，

用于调节微通道内的压力和液位。通过合理设置膨胀水箱的工作压力

和液位，可以有效地避免微通道内液位波动过大导致的沸腾换热性能

下降。

六、结论与展望

在本研究中，我们通过数值模拟和实验验证了带矩形重入腔的直

肋微通道内流动沸腾换热特性。我们分析了流体在直肋微通道内的流

动状态，包括层流、紊流