微細通道內液氮流動沸騰熱物理特性與機理的可視化研究.pdf

1、微細通道內的相變換熱由于結構緊湊，換熱效率較高，在電子、航天、生物醫(yī)學等現(xiàn)代高新技術領域有廣泛的應用，對其規(guī)律的研究也成為國際傳熱界的熱點。本文針對微型醫(yī)療器械，超導磁體冷卻等應用中涉及的微細通道內液氮的流動沸騰，采用高速攝像從微觀層面上對其熱物理特性與機理進行了深入的研究，并對相變過程中氣泡動力學特征以及對應換熱特性進行了數值模擬。主要結論如下：
　　開展了實驗難度較大的低溫流動與傳熱的可視化研究工作,解決了低溫條件可視化實驗中

2、布光和放大倍率的難題，獲得了高質量的流型圖片。微細通道內液氮流動沸騰的主要流型為：泡狀流，彈狀流，攪拌流和環(huán)狀流；并且在1.042 mm和0.531 mm管內發(fā)現(xiàn)了受限氣泡流。繪制了流型圖，結果表明表面張力是影響流型轉變的重要物性參數。相對于空氣-水的流型圖，彈狀流區(qū)域很小，對應的彈狀流/攪拌流，攪拌流/環(huán)狀流流型轉變線向較低的氣體表觀速度方向移動；而泡狀流/彈狀流的轉變線向較高的氣體表觀速度方向移動。
　　為了深入研究微細通道內

3、液氮流動沸騰的機理，在微細玻璃管外表面電鍍一層透明的加熱膜（氧化錫銦）用來研究氣泡核化，脫離等氣泡動力學特征和流型轉變過程。微細玻璃管的內徑為1.3-1.5 mm。測量了氣泡脫離直徑以及氣泡周期，滿足關系式(Dd)1.46·(1/τ) constant，說明微細通道內的氣泡脫離特征更類似于常規(guī)通道。微細通道內氣泡脫離后流型的轉變則受到明顯的微尺度效應的影響，氣泡生長受限，流型轉變加快，換熱系數增大。研究了微細通道內不同流型的換熱系數，包

4、括泡狀流，彈狀流，環(huán)狀流以及倒流和干涸。結果表明微細通道內流動沸騰的主導機理是液膜蒸發(fā)。發(fā)生干涸時，換熱惡化，而倒流能在一定程度上增強上游的換熱系數。研究了干涸之后的流型發(fā)展過程，觀測到了反泡狀流，反彈狀流以及反環(huán)狀流等流型。發(fā)現(xiàn)并詳細描述了微細通道內的液滴夾帶現(xiàn)象，不同于常規(guī)通道，這種液滴夾帶較多的發(fā)生于彈狀流中。
　　一般的可視化實驗得到的結果只能反映二維平面上的信息，而帶來三維空間上諸多重要信息的缺失。而常規(guī)尺度的三維可視化

5、方法由于工作距離上的限制，很難應用于微尺度的三維可視化實驗中。本文創(chuàng)造性地提出一種簡潔有效的適應于微尺度成像的三維可視化光路，成功實現(xiàn)了微細通道內兩相流動的三維可視化。該方法在實驗段周圍特定的位置設置一片等腰直角棱鏡和一面平面鏡，由此實現(xiàn)了一個相機同時獲取兩相流的正面像和側面像。在此基礎上實現(xiàn)了三維重建。同時對由于折射以及棱鏡色散而帶來的圖像變形進行了定量分析，并提出了矯正方法。盡管該方法的驗證實驗針對可視化難度大的低溫流體進行，但是同

6、樣適用于微細通道內常溫流體的可視化研究。
　　在實驗研究基礎上，本文對微細通道內氣泡動力學特征以及對應的換熱特征進行了數值研究。采用Volume-of-Fluid（VOF）模擬，將計算區(qū)域劃分為主流區(qū)域和微液膜區(qū)域，采取不同的質量和能量源項來模擬相變過程。采用了一種簡單的微液膜模型，實現(xiàn)了微液膜層內的傳熱傳質過程。成功模擬了微細通道內氣泡的核化生長過程。同時系統(tǒng)研究了流量等參數、物性、幾何特征等因素對氣泡生長以及對應的換熱特性的影

7、響。發(fā)現(xiàn)在較高流速下，氣泡生長表現(xiàn)出線性規(guī)律；而流速較低時，生長曲線表現(xiàn)拋物形的特點。分析了熱流密度對氣泡生長的影響，在微細通道內氣泡生長的主導機理為熱控制機理。熱物性如表面張力、接觸角以及液氣密度比對氣泡生長以及流型轉變有顯著影響。對于小表面張力和接觸角的流體，核態(tài)沸騰時氣泡較容易脫離加熱表面。當液氣密度比增大時，氣泡生長速率較快。氣泡生長受到壁面限制時，換熱系數增強。模擬分析了受限氣泡的產生發(fā)展過程，結果表明受限氣泡的換熱影響區(qū)域約

8、為受限氣泡大小的兩倍；受限氣泡能夠顯著增強影響區(qū)域內的換熱系數。
　　系統(tǒng)研究了以不銹鋼為基材的微通道熱沉內液氮流動沸騰的流型特征和換熱特性。通過高速攝像，獲取的主要流型為泡狀流，彈狀流和環(huán)狀流，發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定倒流現(xiàn)象嚴重。在流量為50.1-880.5 kg/m2s范圍內，最大換熱能力達到21.35 W/cm2，增加熱沉通道深度能夠顯著增加換熱能力。測量了各個微細通道間的流量分配。發(fā)現(xiàn)單相條件下，各通道間的流量分配基本一致，兩相流條件