硅微通道中的冷凝流型演變的研究.pdf

1、近幾年來(lái),微尺度下的流動(dòng)與傳熱問題受到了國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的重視,尤其是微通道內(nèi)流動(dòng)冷凝過程更是引起了廣泛的關(guān)注。微通道內(nèi)的流動(dòng)冷凝在機(jī)理上不同于重力場(chǎng)控制下的大通道冷凝過程。在微通道中,氣液界面的表面張力成為了主要作用力,其流動(dòng)形態(tài)類似于微重力下情況,環(huán)狀流動(dòng)不再分層；而且,除了環(huán)狀流之外,還存在著非穩(wěn)態(tài)的噴射流和因此而產(chǎn)生的彈狀流和泡狀流等流型。冷凝流型是冷凝過程的最本質(zhì)特性之一,目前,微通道中的流動(dòng)冷凝流型的研究已經(jīng)有了一些數(shù)據(jù)和報(bào)道

2、,但是,由于其過程的復(fù)雜性及實(shí)驗(yàn)測(cè)量的難度,有關(guān)微通道中冷凝流型演變機(jī)理的研究還很不完善,流型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也不夠充分。本文以揭示微通道冷凝流型演變機(jī)理為目的,對(duì)三角形和矩形微通道中的流動(dòng)冷凝過程進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。 為了更好地認(rèn)識(shí)微通道截面形狀對(duì)流動(dòng)換熱特性的影響,本文首先對(duì)三角形、矩形和梯形等非圓形微通道中單相對(duì)流換熱過程開展了三維數(shù)值模擬研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn),截面平均努塞爾數(shù)在通道入口處出現(xiàn)最大值,然后沿流體流動(dòng)方向急劇減小,直

3、至流動(dòng)充分發(fā)展時(shí)趨于恒定；流體和固體溫度皆沿流動(dòng)方向逐漸升高,最高溫度出現(xiàn)在通道出口的正下方；通道壁溫僅沿流動(dòng)方向線性升高,在垂直于流動(dòng)方向,則溫度基本保持均衡：雷諾數(shù)對(duì)微通道的流動(dòng)換熱特性存在著較大的影響,雷諾數(shù)越大,其對(duì)應(yīng)的努塞爾數(shù)就越大,換熱效率也越高。通過熱有效性比較,發(fā)現(xiàn)三角形微通道的熱有效性最高。 其次,研究了微通道中的環(huán)狀冷凝過程。建立了三角形和矩形微通道中環(huán)狀冷凝過程的一維穩(wěn)態(tài)模型,分析了液相毛細(xì)半徑和壓力的分布

4、趨勢(shì),以及蒸汽入口壓力、熱負(fù)荷、通道大小和接觸角對(duì)冷凝段長(zhǎng)度的影響,并討論了微通道截面形狀對(duì)環(huán)狀冷凝的影響。計(jì)算結(jié)果表明,冷凝段長(zhǎng)度主要取決于毛細(xì)半徑變化平緩區(qū)域的長(zhǎng)短；冷凝段液相壓力隨著毛細(xì)半徑的增大而增大,在通道入口處,液體壓力從零突升,之后沿通道緩慢增加,直至最大值；蒸汽入口壓力增大、熱流密度愈小、通道水力直徑愈大和液體與壁面的接觸角減小都會(huì)使冷凝段長(zhǎng)度增長(zhǎng)；在一定范圍內(nèi),微通道內(nèi)角的個(gè)數(shù)對(duì)通道冷凝段長(zhǎng)度的影響將比長(zhǎng)、短邊長(zhǎng)比對(duì)冷

5、凝段長(zhǎng)度的影響更為顯著：通道截面對(duì)冷凝過程氣、液兩相的壓力和流速分布規(guī)律幾乎沒有影響。 設(shè)計(jì)和搭建了一套微通道冷凝流型演變實(shí)驗(yàn)臺(tái),對(duì)水力直徑分別為250μm、100μm的三角形和90.6μm的矩形硅微通道中的流動(dòng)冷凝過程開展了可視化實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)中觀察并拍攝了硅微通道內(nèi)的流動(dòng)冷凝流型演變過程,并對(duì)噴射頻率、噴射位置等流型特性參數(shù)和溫度、壓降、換熱系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行了分析討論。結(jié)果表明,在一定的換熱工況下,硅微通道冷凝過程中會(huì)依次出現(xiàn)