基于汽泡動(dòng)力學(xué)的微通道沸騰流動(dòng)不穩(wěn)定性研究.pdf

1、相變換熱作為一種更為高效的冷卻方式被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)方面，電子冷卻應(yīng)用中微通道的相變冷卻過(guò)程中易出現(xiàn)流動(dòng)不穩(wěn)定性現(xiàn)象，因此關(guān)于該問(wèn)題的研究越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視。本文搭建了一套適合于研究微通道內(nèi)流動(dòng)沸騰現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并通過(guò)電火花加工技術(shù)加工了包含有14條并行矩形微通道的熱沉實(shí)驗(yàn)段，單條微通道的水力直徑小于200μm。借助于可視化觀測(cè)和多參數(shù)同步測(cè)量技術(shù)以去離子水為工質(zhì)，對(duì)平行微通道內(nèi)的流動(dòng)不穩(wěn)定性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，然后綜合可

2、視化結(jié)果及溫度、壓力、壓差、流量等參數(shù)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了理論分析，期望豐富對(duì)平行多微通道內(nèi)的流動(dòng)不穩(wěn)定性現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)。
　　通過(guò)對(duì)壓降—流量特性曲線的分析研究了工況參數(shù)對(duì)平行微多通道靜態(tài)流動(dòng)不穩(wěn)定起始點(diǎn)（OFI點(diǎn)）的影響，結(jié)果表明：（1）進(jìn)口過(guò)冷度一定的情況下，隨著熱流密度的增大，壓降—流量特性曲線的最低點(diǎn)靜態(tài)流動(dòng)不穩(wěn)定起始點(diǎn)（OFI點(diǎn)）會(huì)向質(zhì)量流速大的方向移動(dòng)。熱流密度一定的條件下，隨著入口過(guò)冷度的提高，壓降—流量特性曲線的最低點(diǎn)靜態(tài)

3、流動(dòng)不穩(wěn)定起始點(diǎn)(OFI點(diǎn))會(huì)向質(zhì)量流速大的方向移動(dòng)。（2）針對(duì)平行微多通道動(dòng)態(tài)流動(dòng)不穩(wěn)定性所關(guān)注的溫度、壓力等參數(shù)的震蕩特性的研究中發(fā)現(xiàn)：在熱流密度和入口溫度一定的條件下，隨著質(zhì)量流速的降低，系統(tǒng)由穩(wěn)定沸騰模式進(jìn)入非穩(wěn)定沸騰模式，壓降的波動(dòng)幅值逐漸增大。
　　結(jié)合可視化結(jié)果對(duì)穩(wěn)定沸騰模式及非穩(wěn)定沸騰模式下的流型以及參數(shù)波動(dòng)情況進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)在穩(wěn)定沸騰階段的小汽泡一般不能持續(xù)長(zhǎng)大，而是在來(lái)流液體較大慣性力的作用下被沖向通道下游。

4、盡管在質(zhì)量流速較小的情況下也有汽泡聚合形成的拉長(zhǎng)汽泡的出現(xiàn)，但是不足以阻止來(lái)流液體進(jìn)入通道因而只會(huì)引起進(jìn)口壓力小幅度波動(dòng)。在非穩(wěn)定沸騰階段，由于壁面過(guò)熱度較高，來(lái)流液體慣性力相比穩(wěn)定流動(dòng)沸騰模式下較小，汽泡快速生長(zhǎng)到通道尺寸大小，并受到壁面的擠壓作用堵塞通道甚至產(chǎn)生汽核倒流現(xiàn)象，或者汽泡在拉長(zhǎng)過(guò)程中很快與周圍汽泡聚合形成較大的汽核阻止液體進(jìn)入通道，這樣周期性的汽液交變流動(dòng)造成進(jìn)出口壓力周期性的波動(dòng)。
　　汽核堵塞通道甚至汽核倒流和

5、液體回沖現(xiàn)象的出現(xiàn)造成通道內(nèi)液相/汽相的交變流動(dòng)，從而引起進(jìn)口壓力的大幅度波動(dòng)。本文對(duì)于微通道內(nèi)的汽核倒流和液體回沖現(xiàn)象所引起的參數(shù)波動(dòng)進(jìn)行了分析，建立了一個(gè)簡(jiǎn)單的矩形微通道內(nèi)的基于汽核倒流現(xiàn)象發(fā)生時(shí)引起進(jìn)口壓力波動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。該模型假設(shè)汽泡在矩形微通道內(nèi)的生長(zhǎng)過(guò)程分為三個(gè)階段，即自由生長(zhǎng)階段、部分受限生長(zhǎng)階段和完全受限生長(zhǎng)階段。在汽泡完全受限階段當(dāng)汽泡長(zhǎng)度拉長(zhǎng)到一定程度時(shí)會(huì)出現(xiàn)汽泡的倒流現(xiàn)象引起通道進(jìn)口壓力突然增加，汽泡在進(jìn)出口的巨大