微細(xì)通道內(nèi)液氮流動沸騰熱物理特性與機理的可視化研究.pdf

1、微細(xì)通道內(nèi)的相變換熱由于結(jié)構(gòu)緊湊，換熱效率較高，在電子、航天、生物醫(yī)學(xué)等現(xiàn)代高新技術(shù)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)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(dǎo)磁體冷卻等應(yīng)用中涉及的微細(xì)通道內(nèi)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(jìn)行了深入的研究，并對相變過程中氣泡動力學(xué)特征以及對應(yīng)換熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。主要結(jié)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(zhì)量的流型圖片。微細(xì)通道內(nèi)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(nèi)發(fā)現(xiàn)了受限氣泡流。繪制了流型圖，結(jié)果表明表面張力是影響流型轉(zhuǎn)變的重要物性參數(shù)。相對于空氣-水的流型圖，彈狀流區(qū)域很小，對應(yīng)的彈狀流/攪拌流，攪拌流/環(huán)狀流流型轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變線向較高的氣體表觀速度方向移動。
　　為了深入研究微細(xì)通道內(nèi)

3、液氮流動沸騰的機理，在微細(xì)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(xué)特征和流型轉(zhuǎn)變過程。微細(xì)玻璃管的內(nèi)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(guān)系式(Dd)1.46·(1/τ) constant，說明微細(xì)通道內(nèi)的氣泡脫離特征更類似于常規(guī)通道。微細(xì)通道內(nèi)氣泡脫離后流型的轉(zhuǎn)變則受到明顯的微尺度效應(yīng)的影響，氣泡生長受限，流型轉(zhuǎn)變加快，換熱系數(shù)增大。研究了微細(xì)通道內(nèi)不同流型的換熱系數(shù)，包

4、括泡狀流，彈狀流，環(huán)狀流以及倒流和干涸。結(jié)果表明微細(xì)通道內(nèi)流動沸騰的主導(dǎo)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(shù)。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(xì)描述了微細(xì)通道內(nèi)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(jié)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(yīng)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(yīng)于微尺度成像的三維可視化光路，成功實現(xiàn)了微細(xì)通道內(nèi)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(shè)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(cè)面像。在此基礎(chǔ)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(jìn)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(jìn)行，但是同

6、樣適用于微細(xì)通道內(nèi)常溫流體的可視化研究。
　　在實驗研究基礎(chǔ)上，本文對微細(xì)通道內(nèi)氣泡動力學(xué)特征以及對應(yīng)的換熱特征進(jìn)行了數(shù)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(zhì)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(nèi)的傳熱傳質(zhì)過程。成功模擬了微細(xì)通道內(nèi)氣泡的核化生長過程。同時系統(tǒng)研究了流量等參數(shù)、物性、幾何特征等因素對氣泡生長以及對應(yīng)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(xì)通道內(nèi)氣泡生長的主導(dǎo)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(zhuǎn)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(dāng)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(shù)增強。模擬分析了受限氣泡的產(chǎn)生發(fā)展過程，結(jié)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(nèi)的換熱系數(shù)。
　　系統(tǒng)研究了以不銹鋼為基材的微通道熱沉內(nèi)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(yán)重。在流量為50.1-880.5 kg/m2s范圍內(nèi)，最大換熱能力達(dá)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(xì)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