硅微通道中的冷凝流型演變的研究.pdf

1、近幾年來,微尺度下的流動與傳熱問題受到了國內(nèi)外越來越多的重視,尤其是微通道內(nèi)流動冷凝過程更是引起了廣泛的關(guān)注。微通道內(nèi)的流動冷凝在機理上不同于重力場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,其流動形態(tài)類似于微重力下情況,環(huán)狀流動不再分層；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,微通道中的流動冷凝流型的研究已經(jīng)有了一些數(shù)據(jù)和報道

2、,但是,由于其過程的復(fù)雜性及實驗測量的難度,有關(guān)微通道中冷凝流型演變機理的研究還很不完善,流型實驗數(shù)據(jù)也不夠充分。本文以揭示微通道冷凝流型演變機理為目的,對三角形和矩形微通道中的流動冷凝過程進行了理論分析和實驗研究。 為了更好地認識微通道截面形狀對流動換熱特性的影響,本文首先對三角形、矩形和梯形等非圓形微通道中單相對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,然后沿流體流動方向急劇減小,直

3、至流動充分發(fā)展時趨于恒定；流體和固體溫度皆沿流動方向逐漸升高,最高溫度出現(xiàn)在通道出口的正下方；通道壁溫僅沿流動方向線性升高,在垂直于流動方向,則溫度基本保持均衡：雷諾數(shù)對微通道的流動換熱特性存在著較大的影響,雷諾數(shù)越大,其對應(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,分析了液相毛細半徑和壓力的分布

4、趨勢,以及蒸汽入口壓力、熱負荷、通道大小和接觸角對冷凝段長度的影響,并討論了微通道截面形狀對環(huán)狀冷凝的影響。計算結(jié)果表明,冷凝段長度主要取決于毛細半徑變化平緩區(qū)域的長短；冷凝段液相壓力隨著毛細半徑的增大而增大,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使冷凝段長度增長；在一定范圍內(nèi),微通道內(nèi)角的個數(shù)對通道冷凝段長度的影響將比長、短邊長比對冷

5、凝段長度的影響更為顯著：通道截面對冷凝過程氣、液兩相的壓力和流速分布規(guī)律幾乎沒有影響。 設(shè)計和搭建了一套微通道冷凝流型演變實驗臺,對水力直徑分別為250μm、100μm的三角形和90.6μm的矩形硅微通道中的流動冷凝過程開展了可視化實驗研究。實驗中觀察并拍攝了硅微通道內(nèi)的流動冷凝流型演變過程,并對噴射頻率、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依次出現(xiàn)