微通道内流动沸腾不稳定性影响因素实验研究

微通道沸腾不稳定性降低设备运行性能及传热特性。设计入口集成种子汽泡发生器的三角形硅基微通道热沉。搭建同步光学可视化测量实验台。研究加热膜长度、质量流量及种子汽泡触发频率对微通道内沸腾不稳定性及传热影响。结果表明:加热膜长度和质量流量作为控制沸腾不稳定性的关键参数,加热膜长度越长或质量流量越低,沸腾起始点和临界热流密度越早发生。单相液体区域,热流密度增大,压降略微降低,温度线性升高。汽液两相区域,热流密度增大,压降迅速增大,温度呈指数式上升。触发种子汽泡作为一种主动式控制技术,沸腾不稳定性得到抑制或消除,换热得到显著增强,是一种值得推广的技术。     

微通道中纳米流体流动沸腾换热性能研究

为研究微通道中纳米流体流动沸腾的换热性能,设计了一种水力直径为143 μm的矩形硅基微通道,搭建了研究微通道中纳米流体流动沸腾换热的高速测量和光学可视化实验平台.研究了质量分数为0.2%的Al2O3纳米流体及纯水在微通道中的流动沸腾换热性能.通过比较在两种换热工质中系统压降和壁温,并结合流型的同步变化分析了纳米流体的流...     

非共沸混合物微通道内流动沸腾特性

引言 近30年来,工程技术的发展正朝微型化迈进,微型结构冷却技术在微电子、航天航空、生物医药和微型换热器等高新技术领域得到越来越多应用,由于沸腾换热是一种高强度的换热方式,微型通道内的流动沸腾换热特征的研究变得越来越重要.     

低高宽比微通道中的流动沸腾不稳定性

以甲醇为工质,在不同进口温度、质量流速、热通量和倾角下对低高宽比矩形微通道中流动沸腾不稳定性进行了研究。在宽广的参数范围内发现存在3类不稳定性：流量漂移静态不稳定性、压力降型脉动动态不稳定性及压力降和密度波复合不稳定性。由于大长径比 （L/D=159.5）实验段本身及实验段上游可压缩容积的存在,导致在水动力曲线负斜率区压力降型脉动的发生。分析了进口温度、倾角、质量流量、热通量等因素对不稳定性的影响,发现压力降型脉动的发生主要取决于质量流量、热通量及进口温度三者的影响,给出了以热力学平衡质量含气率表示的脉动工况界限范围。     

均流腔对微通道内沸腾流动传热的影响

针对平行微通道散热器的沸腾流动不稳定性问题，以R134a制冷剂为工质，研究了内圆弧过渡形均流腔微通道散热器(MC-C)与传统方形均流腔微通道散热器(MC-S)的沸腾流动与传热特性。结果表明，与MC-S微通道相比，MC-C微通道入口均流腔减小了对工质的流动阻力，出口均流腔促进蒸气从散热器中排出，MC-C微通道的各微流道中的流型更加均匀。MC-C微通道沿程壁面温度先增大后减小再增大，MC-S微通道沿程壁面温度先减小后增大，相同工况下MC-C微通道可以实现更低的壁面温度。两种均流腔结构微通道的传热系数随质量流量增大而增大，随热流密度增大而增大；相同工况下MC-C可以实现更高的传热系数。当热流密度为242.6 kW/m2时，MC-C微通道较MC-S微通道的壁温最大降低了2.8℃；质量流量G=572 kg/(m2·s)时，随热流密度升高，MC-C微通道较MC-S微通道的沿程最大温差最多降低了2.2℃；当热流密度为242.6 kW/m2时，MC-C微通道较MC-S微通道平均传热系数最大提高了20.2%。     

微通道内R22制冷剂流动沸腾的压降特性

为探讨热流密度对二相流动沸腾摩擦压降的影响,并结合可视化探究改变热流密度时产生压降不稳定现象的机理,文章以R22制冷剂为实验工质,在截面尺寸高×宽分别为2.0 mm×2.0 mm,2.0 mm×1.0 mm和2.0 mm×0.6 mm 3种不同矩形微通道中,进行二相沸腾传热实验。实验表明:此实验条件下,R22制冷剂在微通道内进行二相沸腾传热时,二相摩擦压降是产生压降的主要因素;二相摩擦压降随热流密度的增加而增大,而且低热流密度下增幅较快,当热流密度增加到一定程度后,二相摩擦压降增加趋势变缓;在质量通量为253.2 kg/(m2·s)的条件下,热流密度从4.5 k W/m2增加到18.1 k W/m2时,流体流型经历了局部干涸再润湿的周期性变化,这种变化过程中压降波动较大。     

微通道内流动沸腾可视化观察与流型转换研究

对去离子水在矩形微通道(0.54mm×1.6mm)中的流动沸腾进行了可视化观察和实验,观察到泡状流、弹状流、环状流三种流型,并对流型进行分类.根据流型转换实验数据,得到随千度和质量流速变化的流型分布图,在此基础上进一步拟舍得到流型转换预测的新关联式,对矩形微通道内流动沸腾换热的研究有重要的实际意义.     

微通道内非共沸混合制冷剂的流动沸腾特性

采用了3种不同组分比例的R32/R134a工质在0.86 mm的微通道中进行了传热特性和阻力特性的实验研究,考察了非共沸工质不同组分比例对微通道换热特性的影响。实验结果表明:在组分质量分数比为35%/65%时,核态沸腾在小干度下换热效果最好;干度较大时,组分比例对换热的影响效果降低。在大质量流量下传热阻力效应的影响不再明显。在压降方面,组分比为15%/85%的相对压降最大,其它两种组分的压降较小。     

垂直窄矩形通道内流动沸腾传热研究

在热虹吸条件下，实验研究了缝宽接近于气泡脱离直径型的窄矩形通道内流动沸腾的传热特性。发现其对流蒸发传热中有时处于过渡流状态。首次为对流蒸发传热系数建立了一个通用算式。还将该算式与加和模型相结合，为窄矩形通道形成了第一个完整的流动沸腾传热算法。该算法的预测值与实验数据相比，其平均绝对偏差为１４．９％。     

微通道内低沸点工质流动沸腾压降特性

在压力为0.5～1.7 MPa,质量流量为381～2291 kg·m^-2·s^-1,干度为0～1.0的工况范围内试验研究微尺度通道内低沸点混合工质R32/R134a的流动沸腾压降性能,同时对两相流流型进行可视化观察。微尺度通道内径为1.92 mm,0.86 mm和0.5 mm相似文献   

硅基正弦波纹微通道内的流动阻力特性

硅基正弦波纹微通道在微尺度强化换热、微流体器件中均有重要运用,而目前尚未见有关于其内部流动特性的实验报道。利用标准微机电系统（MEMS）工艺在硅基芯片上加工制成一系列具有不同相位差和周期、当量直径为160 μm的正弦波纹微通道,通过实验研究了其内部流动阻力特性。研究表明：正弦波纹微通道较平直微通道阻力均有增加,且增加幅度与波纹微通道两侧壁的相位差和周期有关。对于周期相同的波纹微通道,两侧壁相位差越大,阻力也越大。对于相位差相同的波纹微通道,周期对阻力的影响则较为复杂：当相位差为0时,呈现出周期越大、阻力越小的趋势（除最小周期通道外）;当相位差为π时,呈现出周期越大、阻力越大的趋势。研究还发现：随着周期减小,相位差对阻力的影响减小,当周期缩短至0.5 mm时,相位差为0和π的波纹微通道内的阻力特性曲线几乎重合。     

Bubble breakup and boiling heat transfer in Y-shaped bifurcating microchannels

Three-dimensional simulations are performed to study the bubble breakup and boiling heat transfer in Y-shaped bifurcating microchannels with different heat fluxes and bifurcating angles. Results show that the breakup regime for continuously growing bubble changes from tunnel breakup to obstructed breakup as the heat flux increases. Interestingly, the pinch-off stage of bubble breakup becomes inconspicuous in small acute-angle bifurcating microchannel. The flow structure changes from smooth mode to twining mode as the bifurcating angle increases. The bubble transit leads to the shrink or disappearance of vortex. The heat transfer is tightly associated with bubble dynamics. The negative heat transfer enhancement is observed at low heat flux and it is eliminated at high heat flux. The heat transfer is enhanced with the increase in heat flux, while the effect of bifurcating angle is relatively complex. The present study provides new insights into the two-phase flow in bifurcating structures.     

微槽道内饱和沸腾传热试验及其动力学分析

以去离子水为工质,在高为2mm,宽分别为0.3,0.6,2mm的铝制矩形槽道内进行了饱和沸腾换热试验。试验结果表明,去离子水在微尺度条件下其换热特性优于常规尺寸。且随着槽道尺寸减小,其换热能力逐渐增强。最后对0.6mm×2mm的矩形微槽进行试验,获得了压差随时间波动图。对该序列进行Lyapunov指数计算,结果表明,系统出现了混沌,表明微尺度的传热性能与系统的混沌特征有一定的关系。     

连通微通道内过冷流动沸腾传热强化机理分析

连通微通道（平行主通道由支流通道连通）流动沸腾传热具有优越的换热性能,但其传热传质强化机理尚不够明确,限制了其实际应用。鉴于此,本文基于流体体积函数（VOF）方法,对连通微通道内过冷流动沸腾进行二维非稳态数值模拟,研究了流场扰动、脱落汽泡与壁面间的薄液膜分布对微通道当地传热系数的影响规律。结果表明,连通微通道存在两种强化换热机理：支流通道脱落汽泡可增强主通道流场扰动,进而促进了通道热边界层再发展;脱落汽泡与热壁面间可形成薄液膜,该薄液膜减小了换热热阻。同时研究了支流通道倾角（θ）对连通微通道强化换热的影响,结果发现,不同θ时,连通微通道整体平均传热系数提高10.51%~17.66%,单个主通道平均传热系数最高可提升27.94%,且θ=45°时连通微通道具有最佳换热特性。该研究有望为芯片高效冷却结构的设计提供指导。     

硅基微通道中周期性沸腾的光学可视化

以丙酮为工质,在三角形截面的硅基微通道内进行了微尺度沸腾传热实验研究。在对汽液两相流流型进行光学可视化测量的同时,对压力、温度等信号进行了同步动态测量。发现了周期在毫秒级的微时间尺度的周期性沸腾传热。1个完整的周期可以分成3个子过程：进液阶段,汽泡核化、增长、聚合及爆炸阶段,瞬变液膜蒸发阶段。总结出1个完整周期内所存在的4种汽液两相流流型。鉴别出了沸腾起始点。分析了沸腾传热系数随干度的变化关系,结果表明在本实验工况下：当干度小于0.4时,起主导作用的传热机制为核态沸腾;而当干度大于0.4时,起主导作用的传热机制为强制对流沸腾。     

多组分流动沸腾传热研究

多组分混合物流动沸腾传热系数算式中的液相传质系数，是描述传质阻力的关键参数，但是，当前既无合适的计算方法也无经验数据，只能借用物理和化学吸收传质系数的经验值。本文给出一个简化计算方法。用此法对有机水溶液系统进行预测计算，所得传热系数与实测值比较，其平均绝对偏差为１０．７２％。     

方肋微通道内流动沸腾的气泡动态与传热特性分析

为揭示方肋微通道热沉内流动沸腾的传热传质机理,本文基于耦合VOF方法与“饱和界面”相变模型对微通道内单个气泡绕流加热方肋的传热传质过程进行了数值研究。通过分析该过程中气泡增长速率与方肋壁面传热系数的变化,重点讨论了初始气泡体积和入口雷诺数Re对相变传热效率和流动结构的影响。结果表明：在气泡流经加热方肋过程中,气泡与方肋表面之间形成一层薄液膜,该薄液膜的相变蒸发极大强化方肋表面的换热效果,换热系数较相同条件下的单相流动提升6倍以上。此外液膜厚度随Re增大而变厚,液膜热阻相应增大,液膜蒸发对换热的促进作用随Re增大而降低。最后考察了气泡体积对方肋壁面换热的影响,结果表明：初始体积大的气泡具有更薄的液膜厚度及更大的蒸发面积,表现出更高的相变传热效率;而小气泡对壁面温度影响较小。     

多孔壁面微通道换热性能的实验研究

微通道散热器作为一种高效散热器件,广泛应用于微电子、光电、汽车、航天国防、能源等领域。针对传统光滑微通道传热面积小、换热性能偏低、沸腾迟滞等问题,本文提出一种多孔壁面微通道结构,并采用激光直写方法实现微通道多孔壁面的高效、稳定生成。该多孔壁面微通道显著增大了换热面积、促进流体的扰动、提供大量稳定沸腾核心,从而强化单相与两相沸腾传热。通过搭建微通道换热性能测试系统,测试对比了多孔壁面微通道与光滑微通道的单相对流、两相沸腾传热性能。发现多孔壁面微通道的Nu数相对于光滑微通道提升了21%~31%。在两相沸腾换热过程中,其粗糙多孔结构促进了沸腾气泡成核,其核态沸腾起始温度相比于光滑微通道降低了35%。同时粗糙多孔结构可以保证沸腾过程中的液体持续供给,从而大幅提升了沸腾换热能力,避免了干涸现象的提前发生,其两相沸腾换热系数相对于未处理的光滑微通道最大提升了83%。此外,还开展了不同流量下多孔壁面微通道的沸腾传热性能测试,发现在质量流率为G=500kg/(m²·s)下的沸腾换热系数相对于G=200kg/(m²·s)情况下最大提升了30%。     

微小通道内流动沸腾换热的预测新模型

为了得到适用于微小通道内流动沸腾换热的预测方法,本文以近些年发表的9篇文献中的2924个实验数据点组成数据库,考虑到随着通道直径减小,表面张力对微小通道内两相流动和换热的影响起到主要作用,将Chen形式的换热模型中的核态沸腾和对流换热两部分的修正系数进行了优化。沸腾抑制系数和对流增强系数由气相韦伯数、两相雷诺数、沸腾数、气泡抑制数等量纲为1数组成,反映出了表面张力、水力直径、流动条件、热力条件对于换热的综合影响。结果表明,拟合出的微小通道中沸腾换热的新模型,适于预测水力直径3 mm以下的细管道中CHF（临界热流密度）点以前的换热系数。与实验数据比较,新模型预测的平均绝对误差为19.0%。