分叉結(jié)構(gòu)微通道中氣液兩相流的實驗研究.pdf

1、微通道中的氣液兩相流廣泛應用于微機電系統(tǒng)、電子器件冷卻、生物醫(yī)學工程等領(lǐng)域，如微電子芯片的流動沸騰冷卻、微氣泡超聲造影劑制備等。在微通道中，由于尺度效應，氣液兩相流有著獨特的運行規(guī)律與機制。因此，探究微通道中的氣液兩相流機理已成為工程熱物理領(lǐng)域研究的熱點問題。
　　我們知道，分叉結(jié)構(gòu)是微通道氣液兩相流分配和收集的關(guān)鍵組成部分。在分叉處，氣液兩相流與傳熱過程涉及氣泡生成、變形、破裂和聚并等動力學行為、靜態(tài)和動態(tài)流動不穩(wěn)定，并且經(jīng)歷兩

2、相流動、界面演化、傳熱傳質(zhì)等復雜耦合過程。因此，開展微小分叉結(jié)構(gòu)中氣液兩相流機理研究具有重要的現(xiàn)實意義。目前微通道中的氣液兩相流研究還主要集中在直通道，而對分叉結(jié)構(gòu)微通道中的氣液兩相流的研究比較缺乏，特別是分叉結(jié)構(gòu)對微通道中的氣液兩相流流型演化的影響機理還缺乏深入研究。為此，本文設(shè)計搭建了微尺度流動與傳熱的實驗平臺，對分叉結(jié)構(gòu)微通道中的氣液兩相流動和流動沸騰相變傳熱進行了可視化研究，重點分析了T形微通道中流動沸騰和氣泡破裂特性、分形樹狀

3、微通道中氣液兩相流行為。概括而言，本文的主要研究內(nèi)容和研究結(jié)論如下:
　　設(shè)計并搭建了T形微通道中流動沸騰的可視化實驗平臺，研究T形微通道分叉結(jié)構(gòu)處出現(xiàn)的流動沸騰流型并繪制流型圖，并重點分析加熱溫度、質(zhì)量流量密度和微通道尺寸對流型及溫度不穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明:在T形微通道分叉處的流動沸騰流型主要有擠壓斷裂流、泡狀流、塞狀．環(huán)狀交替流和環(huán)狀流。在分叉結(jié)構(gòu)流動沸騰中，汽化核心首先出現(xiàn)在分支通道中，隨著加熱溫度的升高，汽化核心會逐

4、漸向主通道中延伸。進口質(zhì)量流量密度和微通道尺寸的減小都會導致分叉處的泡狀流的消失。同時，進口質(zhì)量流量密度和微通道尺寸的增加都會導致分叉處環(huán)狀流出現(xiàn)的推遲。加熱溫度和進口質(zhì)量流量密度會對流動不穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。在一定進口質(zhì)量流量密度條件下，隨著加熱溫度的升高，出口溫度的波動幅度逐漸減小。在一定過熱度條件下，隨著進口質(zhì)量流量密度的升高，出口溫度的波動幅度逐漸增加。
　　設(shè)計并搭建單分叉結(jié)構(gòu)微通道中氣-水兩相流實驗臺，利用錯流T形微通

5、道生成氣泡，并在T形微通道中可視化研究氣泡流動破裂行為。實驗研究結(jié)果表明:錯流T形微通道中生成氣泡的大小主要受毛細數(shù)和分散相流量大小的控制。錯流T形微通道中生成氣泡的當量尺寸隨著毛細數(shù)的增大而減小，隨著分散相流量的增大而增大。氣泡在T形微通道分叉處中主要有5種流動破裂方式:氣泡無間隙對稱破裂，氣泡半無間隙對稱破裂，氣泡懸空對稱破裂，氣泡不對稱破裂和氣泡不破裂。氣泡不對稱破裂和不破裂現(xiàn)象主要出現(xiàn)在低分散相氣體流量中，此時氣泡的初始長度也比

6、較小，而氣泡的對稱破裂現(xiàn)象主要出現(xiàn)在分散相氣體流量較大時。在氣泡無間隙對稱破裂的夾斷階段，氣泡頸縮段的長度和時間呈線性關(guān)系。
　　在研究單分叉結(jié)構(gòu)微通道氣液兩相流的基礎(chǔ)上，本論文還開展了多分叉結(jié)構(gòu)微通道中氣-水兩相流可視化實驗研究，主要研究氣泡在分形樹狀微通道中的運動速度和路徑，并分析影響氣泡分裂均勻性和對稱性的因素。研究結(jié)果表明:氣泡在分形樹狀微通道中的整體運動速度會隨著通道級數(shù)的增加而減小。分叉的存在又會造成氣泡在分叉處運動速