微通道中液氮流動和換熱特性研究.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，對其規(guī)律的研究也正成為國際傳熱界的熱點。本文針對微型低溫醫(yī)療器械、超導(dǎo)磁體冷卻等應(yīng)用中涉及的微通道內(nèi)液氮的流動和換熱進行研究。 ⑴在10,000-90,000的高雷諾數(shù)范圍內(nèi)，對內(nèi)徑為0.531，0.834，1.042和1.931mm微通道中液氮的單相流動和換熱特性進行研究。不同于常規(guī)通道，實驗微通道的粗糙度隨管徑的減小而逐漸增大，使得流

2、動摩擦系數(shù)也隨管徑的減小而增加。利用測量的粗糙度對Colebrook關(guān)聯(lián)式進行修正后，可以預(yù)測實驗?zāi)Σ料禂?shù)，誤差范圍±20％。液氮的熱物理性質(zhì)對微通道流動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)遠高于常規(guī)通道。在相同雷諾數(shù)情況下，流動沸騰換熱系數(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)測實驗換熱系數(shù)。 ⑵對微通道內(nèi)液氮流動沸騰特性進行了研究，主要內(nèi)容包括核態(tài)沸騰起始點(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)沸騰起始點時，質(zhì)量流量突然降低，而壓降突然增加，同時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。提出了一個預(yù)測沸騰起始點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，并且實驗質(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、壓力和通道直徑對流動沸騰換熱系數(shù)的影響。劃分出兩個具有不同傳熱機理的區(qū)域：核態(tài)沸騰控制區(qū)和對流蒸發(fā)控制區(qū)。現(xiàn)有關(guān)聯(lián)式無法預(yù)測本文實驗換熱系數(shù)，因而提出了一個包含Co，Bo，We，Kp和X五個無量數(shù)的統(tǒng)一關(guān)聯(lián)式。對于1.931mm通道，流動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為液膜控制機理。并對環(huán)形窄縫中液氮流動沸騰進行了研究，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微通道液氮流動沸騰實驗中發(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。在高質(zhì)量流量情況下，還發(fā)現(xiàn)了ONB壅塞。提出了一個出口汽泡聚合的物理模型來解釋ONB波動和壅塞。建立了數(shù)學(xué)模型，對微通道兩相流不穩(wěn)定性進行理論分析。根據(jù)理論模型，在內(nèi)部特征曲線上確定沸騰起始點波動時微

6、通道內(nèi)的瞬時流動和換熱狀態(tài)，與實驗結(jié)果吻合很好?？疾炝藷崃髅芏取⑼ǖ乐睆?、進口過冷度和系統(tǒng)壓力對微通道內(nèi)部特征曲線的影響，并針對微通道內(nèi)部特征曲線，外部驅(qū)動方式和出口擾動三個要素，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對微通道中液氮兩相流動進行可視化研究。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，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。發(fā)現(xiàn)三種長周期大振幅兩相流波動，它們的共同點就是，壓降的波動與質(zhì)量流量反相，高質(zhì)量流量對應(yīng)低壓降，低質(zhì)量流量對應(yīng)高壓降。壁面溫度和進口液體溫度