分叉結(jié)構(gòu)微通道中氣液兩相流的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、微通道中的氣液兩相流廣泛應(yīng)用于微機(jī)電系統(tǒng)、電子器件冷卻、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域，如微電子芯片的流動(dòng)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(yīng)，氣液兩相流有著獨(dú)特的運(yùn)行規(guī)律與機(jī)制。因此，探究微通道中的氣液兩相流機(jī)理已成為工程熱物理領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)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(guò)程涉及氣泡生成、變形、破裂和聚并等動(dòng)力學(xué)行為、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)流動(dòng)不穩(wěn)定，并且經(jīng)歷兩

2、相流動(dòng)、界面演化、傳熱傳質(zhì)等復(fù)雜耦合過(guò)程。因此，開(kāi)展微小分叉結(jié)構(gòu)中氣液兩相流機(jī)理研究具有重要的現(xiàn)實(shí)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(duì)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(duì)微通道中的氣液兩相流流型演化的影響機(jī)理還缺乏深入研究。為此，本文設(shè)計(jì)搭建了微尺度流動(dòng)與傳熱的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)分叉結(jié)構(gòu)微通道中的氣液兩相流動(dòng)和流動(dòng)沸騰相變傳熱進(jìn)行了可視化研究，重點(diǎn)分析了T形微通道中流動(dòng)沸騰和氣泡破裂特性、分形樹(shù)狀

3、微通道中氣液兩相流行為。概括而言，本文的主要研究?jī)?nèi)容和研究結(jié)論如下:
　　設(shè)計(jì)并搭建了T形微通道中流動(dòng)沸騰的可視化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究T形微通道分叉結(jié)構(gòu)處出現(xiàn)的流動(dòng)沸騰流型并繪制流型圖，并重點(diǎn)分析加熱溫度、質(zhì)量流量密度和微通道尺寸對(duì)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(dòng)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(dòng)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(huì)逐

4、漸向主通道中延伸。進(jìn)口質(zhì)量流量密度和微通道尺寸的減小都會(huì)導(dǎo)致分叉處的泡狀流的消失。同時(shí)，進(jìn)口質(zhì)量流量密度和微通道尺寸的增加都會(huì)導(dǎo)致分叉處環(huán)狀流出現(xiàn)的推遲。加熱溫度和進(jìn)口質(zhì)量流量密度會(huì)對(duì)流動(dòng)不穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。在一定進(jìn)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(dòng)幅度逐漸減小。在一定過(guò)熱度條件下，隨著進(jìn)口質(zhì)量流量密度的升高，出口溫度的波動(dòng)幅度逐漸增加。
　　設(shè)計(jì)并搭建單分叉結(jié)構(gòu)微通道中氣-水兩相流實(shí)驗(yàn)臺(tái)，利用錯(cuò)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(dòng)破裂行為。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明:錯(cuò)流T形微通道中生成氣泡的大小主要受毛細(xì)數(shù)和分散相流量大小的控制。錯(cuò)流T形微通道中生成氣泡的當(dāng)量尺寸隨著毛細(xì)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(dòng)破裂方式:氣泡無(wú)間隙對(duì)稱(chēng)破裂，氣泡半無(wú)間隙對(duì)稱(chēng)破裂，氣泡懸空對(duì)稱(chēng)破裂，氣泡不對(duì)稱(chēng)破裂和氣泡不破裂。氣泡不對(duì)稱(chēng)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(shí)氣泡的初始長(zhǎng)度也比

6、較小，而氣泡的對(duì)稱(chēng)破裂現(xiàn)象主要出現(xiàn)在分散相氣體流量較大時(shí)。在氣泡無(wú)間隙對(duì)稱(chēng)破裂的夾斷階段，氣泡頸縮段的長(zhǎng)度和時(shí)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(kāi)展了多分叉結(jié)構(gòu)微通道中氣-水兩相流可視化實(shí)驗(yàn)研究，主要研究氣泡在分形樹(shù)狀微通道中的運(yùn)動(dòng)速度和路徑，并分析影響氣泡分裂均勻性和對(duì)稱(chēng)性的因素。研究結(jié)果表明:氣泡在分形樹(shù)狀微通道中的整體運(yùn)動(dòng)速度會(huì)隨著通道級(jí)數(shù)的增加而減小。分叉的存在又會(huì)造成氣泡在分叉處運(yùn)動(dòng)速