微細通道流動沸騰換熱機理及實驗研究.pdf

1、高熱流密度換熱設備的高效冷卻問題，推動了微細通道流動沸騰研究的發(fā)展，目前已有部分成果得以應用。微細通道內(nèi)的流動傳熱異于常規(guī)尺寸管道，其流動特性更加復雜，傳熱機理至今尚未定論，針對微細通道流動沸騰問題展開研究仍是目前研究的熱點之一。
　　 本文建立了矩形微細通道流動沸騰實驗臺，加工了微細通道實驗元件，完成了寬度為0.5～2.0mm，壓力介于0.12～0.15MPa范圍內(nèi)的流動沸騰實驗，研究了通道寬度s、運行壓力P、工質(zhì)流量G、入口

2、過冷度△t及加熱功率P對微細通道流動沸騰的影響，并進行了流動沸騰的可視化研究，對觀察到的流型進行了定義和探討，分析了流型與系統(tǒng)壓降及沸騰換熱系數(shù)之間的關系，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制了豎直矩形微細通道內(nèi)流動沸騰的流型圖。對Van Stralen的核態(tài)沸騰模型進行修正，提出了計算流動沸騰總熱流密度的新方法，將流動沸騰換熱區(qū)域分成氣泡覆蓋區(qū)和流體覆蓋區(qū)兩部分，并將生成氣泡的數(shù)量及氣泡所占據(jù)的壁面面積作為加權，對總熱流密度公式進行修正，得到了沸騰換熱系

3、數(shù)與通道尺寸之間的關系式，分析了微細通道流動沸騰機理，結果表明微細通道流動沸騰換熱特性與氣泡脫離指數(shù)n有關，只有當該指數(shù)n<1時，隨著通道尺寸的減小，沸騰傳熱系數(shù)才會呈增加趨勢。
　　 本文對實驗數(shù)據(jù)進行了整理與統(tǒng)計，分析了影響過冷沸騰起始點的因素，繪制了工質(zhì)入口溫度tin，體積流量G，通道寬度s及系統(tǒng)運行壓力P對過冷沸騰起始熱流密度qONB的影響關系圖，對比了各影響因素所占的比重，擬合出微細通道內(nèi)過冷沸騰起始熱流密度的計算式。

4、本文對飽和沸騰進行了探討，發(fā)現(xiàn)該換熱區(qū)域是以氣泡的相變潛熱為主要的傳熱方式，其傳熱過程與氣泡生成頻率fg、氣泡脫離直徑Dd以及通道寬度s等有較大關系，擬合了飽和沸騰換熱經(jīng)驗關系式。通過上述分析，提出了在微細通道單側面加熱工況下，從加熱面指向絕熱面分為氣泡形成區(qū)、氣泡生長區(qū)和氣泡湮滅區(qū)三個區(qū)域，各區(qū)域邊界受熱流密度和工質(zhì)流速的共同影響而變化，這種變化也直接導致氣泡的不同運動形態(tài)。利用分相流模型對微細通道流動沸騰過程的壓降問題進行處理，建立

5、了基于氣相與液相的流速不相等及氣液兩相之間處于熱力學平衡狀態(tài)兩個基本假設的兩相流總壓降梯度表達式，深入分析了入口過冷度△t，體積流量G，通道寬度s及系統(tǒng)運行壓力P對流動壓降△p的影響，擬合出流動沸騰總壓降關系式并與實驗結果進行了對比，表明該擬合關系式可以描述豎直微細通道內(nèi)流動沸騰過程中的壓力降。
　　 本文建立了多尺寸、不同流道形狀的豎直矩形微細通道流動沸騰模型，采用有限容積積分法對控制方程及計算區(qū)域進行離散化，選擇SIMPLE

6、R方法求解壓力場和速度場，計算過程中對工質(zhì)進行變物性處理，選用標準κ-ε模型進行湍流充分發(fā)展區(qū)域的數(shù)值模擬，近壁面區(qū)域采用壁面函數(shù)法，并利用CFD軟件的UDF功能進行了C語言自編程以實現(xiàn)均質(zhì)沸騰和非均質(zhì)沸騰的數(shù)值計算，獲得了微細通道內(nèi)氣泡的形成、生長和脫離等運動規(guī)律，得到了氣液兩相壓力場、速度場和溫度場的分布，分析了換熱系數(shù)隨氣泡運動的關系，并將數(shù)值計算結果與實驗數(shù)據(jù)進行了對比且吻合良好，表明所建立的模型可以用來模擬豎直矩形微細通道中的

7、流動沸騰。由于微細通道流動沸騰對實驗條件要求相對苛刻，許多極限條件下的實驗難于進行，該模型的建立可彌補寬廣參數(shù)范圍內(nèi)的研究數(shù)據(jù)，在一定程度上促進微細通道流動沸騰研究的進展。兩相流的流型對壓降和傳熱均有很大影響，本文依據(jù)實驗數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結果，引入人工神經(jīng)網(wǎng)絡的方法實現(xiàn)氣液兩相流流型的識別。將壓力、溫度、截面含氣率、工質(zhì)流速等參數(shù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入特征向量，經(jīng)過歸一化和無量綱化處理之后輸入到BP神經(jīng)網(wǎng)絡和Elman神經(jīng)網(wǎng)絡中，對微細通道流