分叉結(jié)構(gòu)微通道中氣液兩相流的實驗研究.pdf

1、微通道中的氣液兩相流廣泛應用于微機電系統(tǒng)、電子器件冷卻、生物醫(yī)學工程等領域，如微電子芯片的流動沸騰冷卻、微氣泡超聲造影劑制備等。在微通道中，由于尺度效應，氣液兩相流有著獨特的運行規(guī)律與機制。因此，探究微通道中的氣液兩相流機理已成為工程熱物理領域研究的熱點問題。
　　我們知道，分叉結(jié)構(gòu)是微通道氣液兩相流分配和收集的關(guān)鍵組成部分。在分叉處，氣液兩相流與傳熱過程涉及氣泡生成、變形、破裂和聚并等動力學行為、靜態(tài)和動態(tài)流動不穩(wěn)定，并且經(jīng)歷兩

2、相流動、界面演化、傳熱傳質(zhì)等復雜耦合過程。因此，開展微小分叉結(jié)構(gòu)中氣液兩相流機理研究具有重要的現(xiàn)實意義。目前微通道中的氣液兩相流研究還主要集中在直通道，而對分叉結(jié)構(gòu)微通道中的氣液兩相流的研究比較缺乏，特別是分叉結(jié)構(gòu)對微通道中的氣液兩相流流型演化的影響機理還缺乏深入研究。為此，本文設計搭建了微尺度流動與傳熱的實驗平臺，對分叉結(jié)構(gòu)微通道中的氣液兩相流動和流動沸騰相變傳熱進行了可視化研究，重點分析了T形微通道中流動沸騰和氣泡破裂特性、分形樹狀

3、微通道中氣液兩相流行為。概括而言，本文的主要研究內(nèi)容和研究結(jié)論如下:
　　設計并搭建了T形微通道中流動沸騰的可視化實驗平臺，研究T形微通道分叉結(jié)構(gòu)處出現(xiàn)的流動沸騰流型并繪制流型圖，并重點分析加熱溫度、質(zhì)量流量密度和微通道尺寸對流型及溫度不穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明:在T形微通道分叉處的流動沸騰流型主要有擠壓斷裂流、泡狀流、塞狀．環(huán)狀交替流和環(huán)狀流。在分叉結(jié)構(gòu)流動沸騰中，汽化核心首先出現(xiàn)在分支通道中，隨著加熱溫度的升高，汽化核心會逐

4、漸向主通道中延伸。進口質(zhì)量流量密度和微通道尺寸的減小都會導致分叉處的泡狀流的消失。同時，進口質(zhì)量流量密度和微通道尺寸的增加都會導致分叉處環(huán)狀流出現(xiàn)的推遲。加熱溫度和進口質(zhì)量流量密度會對流動不穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。在一定進口質(zhì)量流量密度條件下，隨著加熱溫度的升高，出口溫度的波動幅度逐漸減小。在一定過熱度條件下，隨著進口質(zhì)量流量密度的升高，出口溫度的波動幅度逐漸增加。
　　設計并搭建單分叉結(jié)構(gòu)微通道中氣-水兩相流實驗臺，利用錯流T形微通

5、道生成氣泡，并在T形微通道中可視化研究氣泡流動破裂行為。實驗研究結(jié)果表明:錯流T形微通道中生成氣泡的大小主要受毛細數(shù)和分散相流量大小的控制。錯流T形微通道中生成氣泡的當量尺寸隨著毛細數(shù)的增大而減小，隨著分散相流量的增大而增大。氣泡在T形微通道分叉處中主要有5種流動破裂方式:氣泡無間隙對稱破裂，氣泡半無間隙對稱破裂，氣泡懸空對稱破裂，氣泡不對稱破裂和氣泡不破裂。氣泡不對稱破裂和不破裂現(xiàn)象主要出現(xiàn)在低分散相氣體流量中，此時氣泡的初始長度也比

6、較小，而氣泡的對稱破裂現(xiàn)象主要出現(xiàn)在分散相氣體流量較大時。在氣泡無間隙對稱破裂的夾斷階段，氣泡頸縮段的長度和時間呈線性關(guān)系。
　　在研究單分叉結(jié)構(gòu)微通道氣液兩相流的基礎上，本論文還開展了多分叉結(jié)構(gòu)微通道中氣-水兩相流可視化實驗研究，主要研究氣泡在分形樹狀微通道中的運動速度和路徑，并分析影響氣泡分裂均勻性和對稱性的因素。研究結(jié)果表明:氣泡在分形樹狀微通道中的整體運動速度會隨著通道級數(shù)的增加而減小。分叉的存在又會造成氣泡在分叉處運動速