微细通道内流动沸腾的实验和理论研究
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38000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520μm和315μm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242μm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，两相摩擦压降随热流密度的增加而增大。而两相摩擦压降因子Ф2FL随L-M参数X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，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Ф2FL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。
流动沸腾传热;微细通道;流型压降;流动换热;传热传质
中国科学院工程热物理研究所
博士
工程热物理
唐大伟
2006
中文
TK172;TK124
107
2007-07-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）