微通道中液氮流動(dòng)和換熱特性研究.pdf

1、隨著微型化技術(shù)的發(fā)展，微通道中的流動(dòng)和換熱已被引入到電子集成電路、生物醫(yī)學(xué)、航天等技術(shù)領(lǐng)域，對(duì)其規(guī)律的研究也正成為國際傳熱界的熱點(diǎn)。本文針對(duì)微型低溫醫(yī)療器械、超導(dǎo)磁體冷卻等應(yīng)用中涉及的微通道內(nèi)液氮的流動(dòng)和換熱進(jìn)行研究。 ⑴在10,000-90,000的高雷諾數(shù)范圍內(nèi)，對(duì)內(nèi)徑為0.531，0.834，1.042和1.931mm微通道中液氮的單相流動(dòng)和換熱特性進(jìn)行研究。不同于常規(guī)通道，實(shí)驗(yàn)微通道的粗糙度隨管徑的減小而逐漸增大，使得流

2、動(dòng)摩擦系數(shù)也隨管徑的減小而增加。利用測量的粗糙度對(duì)Colebrook關(guān)聯(lián)式進(jìn)行修正后，可以預(yù)測實(shí)驗(yàn)?zāi)Σ料禂?shù)，誤差范圍±20％。液氮的熱物理性質(zhì)對(duì)微通道流動(dòng)和傳熱有顯著的影響。0.531和0.834mm微通道內(nèi)的換熱系數(shù)遠(yuǎn)高于常規(guī)通道。在相同雷諾數(shù)情況下，流動(dòng)沸騰換熱系數(shù)隨管徑減小而增大。經(jīng)過粗糙度修正的Gnielinski關(guān)聯(lián)式可以較好地預(yù)測實(shí)驗(yàn)換熱系數(shù)。 ⑵對(duì)微通道內(nèi)液氮流動(dòng)沸騰特性進(jìn)行了研究，主要內(nèi)容包括核態(tài)沸騰起始點(diǎn)(ON

3、B)、兩相流壓降、沸騰換熱特性和臨界熱流密度(CHF)。微通道中液氮的ONB與常規(guī)通道不同，核態(tài)沸騰起始點(diǎn)時(shí)，質(zhì)量流量突然降低，而壓降突然增加，同時(shí)壁面溫度先升高后又突然降低，出現(xiàn)明顯的溫度滯后現(xiàn)象。提出了一個(gè)預(yù)測沸騰起始點(diǎn)壁面過熱度和熱流密度的模型。不同于常規(guī)通道，均相模型對(duì)微通道中液氮兩相流總體壓降和絕熱兩相流摩擦乘子的預(yù)測最為準(zhǔn)確，而分相模型偏差較大。主要原因可能是氮的液相和汽相密度比小，并且實(shí)驗(yàn)質(zhì)量流量較高，汽液相混合均勻。系統(tǒng)

4、研究了熱流密度、質(zhì)量流量、壓力和通道直徑對(duì)流動(dòng)沸騰換熱系數(shù)的影響。劃分出兩個(gè)具有不同傳熱機(jī)理的區(qū)域：核態(tài)沸騰控制區(qū)和對(duì)流蒸發(fā)控制區(qū)?，F(xiàn)有關(guān)聯(lián)式無法預(yù)測本文實(shí)驗(yàn)換熱系數(shù)，因而提出了一個(gè)包含Co，Bo，We，Kp和X五個(gè)無量數(shù)的統(tǒng)一關(guān)聯(lián)式。對(duì)于1.931mm通道，流動(dòng)沸騰換熱特性與常規(guī)管道類似，換熱系數(shù)可以用Chen關(guān)聯(lián)式預(yù)測。微通道中液氮流動(dòng)沸騰的CHF和臨界質(zhì)量干度(CMQ)都高于常規(guī)管道，CHF隨微通道管徑的減小而增大。根據(jù)CMQ隨質(zhì)

5、量流量降低這樣的特性，推斷CHF為液膜控制機(jī)理。并對(duì)環(huán)形窄縫中液氮流動(dòng)沸騰進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其兩相流壓降和沸騰換熱特性與圓形截面微通道類似。 ⑶微通道液氮流動(dòng)沸騰實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)一種長周期(50-60s)、大振幅的質(zhì)量流量、壓降和壁溫波動(dòng)。在高質(zhì)量流量情況下，還發(fā)現(xiàn)了ONB壅塞。提出了一個(gè)出口汽泡聚合的物理模型來解釋ONB波動(dòng)和壅塞。建立了數(shù)學(xué)模型，對(duì)微通道兩相流不穩(wěn)定性進(jìn)行理論分析。根據(jù)理論模型，在內(nèi)部特征曲線上確定沸騰起始點(diǎn)波動(dòng)時(shí)微

6、通道內(nèi)的瞬時(shí)流動(dòng)和換熱狀態(tài)，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合很好?？疾炝藷崃髅芏?、通道直徑、進(jìn)口過冷度和系統(tǒng)壓力對(duì)微通道內(nèi)部特征曲線的影響，并針對(duì)微通道內(nèi)部特征曲線，外部驅(qū)動(dòng)方式和出口擾動(dòng)三個(gè)要素，分別提出降低過冷度、采用恒定流量泵和出口汽液分離排放三種策略來提高微系統(tǒng)穩(wěn)定性。 ⑷利用高速CCD對(duì)微通道中液氮兩相流動(dòng)進(jìn)行可視化研究。在攪拌流和環(huán)狀流中都發(fā)現(xiàn)了大量的霧狀(Mist)或絮狀(Wisps)夾帶，此時(shí)汽芯中汽相和液相的速度比較接近，與均相

7、壓降模型的假設(shè)相符。繪制了流型圖，結(jié)果表明環(huán)狀流占了流型圖的絕對(duì)部分區(qū)域，當(dāng)干度大于0.15后，各種質(zhì)量流量情況下對(duì)應(yīng)的流型都是環(huán)狀流。表面張力控制區(qū)(彈狀流和攪拌流)明顯變小，從而慣性力控制區(qū)的泡狀流向彈狀流的轉(zhuǎn)變向高汽體表觀速度移動(dòng)，彈狀流/攪拌流、攪拌流/環(huán)狀流轉(zhuǎn)變曲線向低汽體表觀速度移動(dòng)。發(fā)現(xiàn)三種長周期大振幅兩相流波動(dòng)，它們的共同點(diǎn)就是，壓降的波動(dòng)與質(zhì)量流量反相，高質(zhì)量流量對(duì)應(yīng)低壓降，低質(zhì)量流量對(duì)應(yīng)高壓降。壁面溫度和進(jìn)口液體溫度