微加熱器表面微尺度沸騰特性及基于Gibbs自由能的成核熱力學(xué)分析.pdf

1、微電子技術(shù)與微加工技術(shù)的快速發(fā)展為微流體系統(tǒng)的發(fā)展提供了契機(jī)，微流控芯片、微致動(dòng)器、微混合器、微化學(xué)反應(yīng)器、微燃料電池等各種微熱流系統(tǒng)相繼涌現(xiàn)，顯示出了廣泛的應(yīng)用前景。這些應(yīng)用中廣泛涉及微流體流動(dòng)傳熱與傳質(zhì)現(xiàn)象，且對(duì)微流體系統(tǒng)的性能起著決定性的作用，因而關(guān)于其特性與機(jī)理的研究，也就成為目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。其中微流體系統(tǒng)中的微汽泡生成技術(shù)、利用附加電場(chǎng)效應(yīng)控制微汽泡生成大小及頻率、微汽泡在微泵中的應(yīng)用以及外加電場(chǎng)強(qiáng)化微通道沸騰傳熱等研究

2、內(nèi)容，已經(jīng)成為當(dāng)前工程熱物理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，目前由于傳統(tǒng)理論及實(shí)驗(yàn)手段的限制，對(duì)微尺度沸騰成核的實(shí)驗(yàn)研究尚未達(dá)到系統(tǒng)和完善，許多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并未得到有效研究和分析，對(duì)其機(jī)理缺乏深入認(rèn)知。尤其在理論分析方面，更是缺乏系統(tǒng)的有效的研究。本文重點(diǎn)研究恒定及脈沖熱流下微尺度沸騰現(xiàn)象及其受各種因素的影響效果，并建立相應(yīng)的熱力學(xué)分析模型，結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究，了解微尺度成核機(jī)理。在實(shí)驗(yàn)研究方面，本文利用先進(jìn)的MEMS技術(shù)，將微Pt加熱元件及微電極集成封裝

3、在硅微通道內(nèi)，利用Pt良好的溫度電阻特性，得到沸騰過程中的溫度響應(yīng)。并利用高速CCD及顯微鏡，將觀察到的沸騰現(xiàn)象記錄下來。在理論分析方面，基于化學(xué)勢(shì)定義，綜合各種影響因素和條件，對(duì)過熱液體層內(nèi)非均相成核進(jìn)行熱力學(xué)分析。
　　針對(duì)恒定熱流下的微尺度沸騰成核，首先對(duì)微尺度沸騰及微汽泡動(dòng)力學(xué)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，通過改變熱流密度及流速，觀察到了三種不同的微汽泡噴射現(xiàn)象。并通過周期性溫度響應(yīng)，分析了周期性沸騰現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)微汽泡噴射現(xiàn)象的產(chǎn)生可以降低

4、溫度或減緩溫度上升趨勢(shì)，最后得到了微汽泡噴射現(xiàn)象發(fā)生的區(qū)域。在理論方面，針對(duì)恒定熱流條件，基于Gibbs自由能及可用能，考慮了壁面溫度梯度的影響，對(duì)過熱液體層內(nèi)非均相成核進(jìn)行了熱力學(xué)分析。對(duì)恒定熱流下具有溫度梯度的非均相成核，沸騰起始的臨界半徑隨著接觸角的增加（更疏水表面）而減小，即導(dǎo)致成核更容易發(fā)生。當(dāng)接觸角增大時(shí)，對(duì)同一熱流密度只需要較小的成核溫度，即成核更容易發(fā)生，壁面成核溫度隨著壁面溫度梯度的增加而增加。本模型預(yù)測(cè)的成核熱流密度

5、與已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及經(jīng)典公式符合得較好。
　　針對(duì)脈沖熱流下的微尺度沸騰成核，通過對(duì)脈沖熱流下微尺度沸騰現(xiàn)象及微汽泡動(dòng)力學(xué)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得到固定脈沖寬度時(shí)質(zhì)量流量及熱流密度變化時(shí)的微尺度沸騰流型圖。分析了規(guī)律性單汽泡周期過程中不同熱流密度下的微汽泡直徑變化，發(fā)現(xiàn)隨著熱流密度增加，沸騰提前，汽泡直徑整體較大。通過研究脈沖寬度及質(zhì)量流量對(duì)微尺度沸騰的影響后發(fā)現(xiàn)，在一定的脈沖寬度及質(zhì)量流量條件下，隨著熱流密度的增加，微尺度沸騰過程可以分為

6、單相、核態(tài)沸騰、膜態(tài)沸騰及干涸點(diǎn)4個(gè)區(qū)域，脈沖寬度的增加能夠引起沸騰區(qū)域的提前轉(zhuǎn)變。脈沖寬度及質(zhì)量流量對(duì)沸騰起始時(shí)間與熱流密度的關(guān)系幾乎沒有影響，且滿足Hsu的經(jīng)典成核公式。在理論分析方面，針對(duì)脈沖熱流情形，根據(jù)瞬態(tài)熱傳導(dǎo)理論修正了前述恒定熱流下的穩(wěn)態(tài)模型，通過對(duì)脈沖熱流下水、酒精和R113的非均相成核進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，臨界半徑均隨著脈沖寬度增加而增大，其中對(duì)同一脈沖寬度水的臨界半徑最大，而酒精的最小。根據(jù)成核熱流密度和成核溫度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確

7、立了三種流體各自從瞬態(tài)模型到穩(wěn)態(tài)模型的轉(zhuǎn)變脈沖寬度。在這個(gè)脈沖寬度以下沸騰成核取決于脈沖寬度，其臨界半徑和成核熱流密度使用瞬態(tài)模型，而在這個(gè)脈沖寬度以上則適用穩(wěn)態(tài)模型。臨界半徑和成核所需總能量隨著脈沖寬度的增加而增加，而另一方面，成核所需的功率則隨著脈沖寬度的增加而減小，意味著增加脈沖寬度使得成核更加容易。
　　針對(duì)兩種典型的強(qiáng)化換熱方式，分別研究了表面活性添加劑及外加電場(chǎng)對(duì)微尺度沸騰的影響。通過對(duì)非離子表面活性劑Triton X

8、-100影響沸騰流型、沸騰起始及換熱的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)濃度低于cmc時(shí)，成核所需的熱流隨著濃度的增加而增加，而成核溫度則降低，當(dāng)濃度高于cmc時(shí)，成核溫度高于純水。隨著添加表面活性劑，沸騰變得更劇烈。沸騰換熱系數(shù)隨著表面活性劑的添加極大的增強(qiáng)了，直到達(dá)到cmc后，重新開始降低。而通過實(shí)驗(yàn)研究外加電場(chǎng)對(duì)沸騰起始熱流密度、成核溫度、成核點(diǎn)數(shù)量及其換熱系數(shù)的影響效果，發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)延遲了起始沸騰，使沸騰所需熱流密度隨之增加，相同熱流密度下沸騰成核時(shí)間隨

9、之延后。對(duì)同一熱流密度，電場(chǎng)降低了壁面溫度梯度，導(dǎo)致成核溫度下降，且汽泡相對(duì)較小。在較高熱流下，當(dāng)電場(chǎng)增加到一定程度時(shí)，微加熱器表面開始出現(xiàn)多個(gè)成核點(diǎn)，并據(jù)此得到了成核點(diǎn)數(shù)隨熱流密度及電場(chǎng)變化的分布圖。在理論分析方面，根據(jù)電場(chǎng)作用修正了穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)模型，對(duì)外加電場(chǎng)作用下的成核，充分考慮了介電常數(shù)隨溫度變化的因素，通過分析可以發(fā)現(xiàn)成核臨界半徑及成核能量壁壘隨著外加電場(chǎng)的增強(qiáng)而增大，成核變得更加困難，而對(duì)同一壁面溫度，壁面溫度梯度則隨著電場(chǎng)的