微小通道內(nèi)氣液Taylor流動(dòng)及冷凝環(huán)形流動(dòng)的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、強(qiáng)化傳熱是一個(gè)經(jīng)久不衰的課題，其相關(guān)研究涉及工業(yè)應(yīng)用的多方面?？萍嫉陌l(fā)展與進(jìn)步對(duì)強(qiáng)化傳熱的手段、方法提出了更高的要求，強(qiáng)化傳熱的研究熱點(diǎn)也逐漸由常規(guī)通道單相流動(dòng)轉(zhuǎn)移到微小通道多相流動(dòng)。雖然多相流應(yīng)用較為廣泛，但是微小通道內(nèi)多相流的流動(dòng)換熱特性研究仍有很大的不足，其強(qiáng)化傳熱的機(jī)理認(rèn)識(shí)不夠。本文主要針對(duì)微小通道內(nèi)的無(wú)相變Taylor流動(dòng)及冷凝環(huán)形流動(dòng)進(jìn)行研究，采用數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)的方法分析微小通道內(nèi)兩相流型對(duì)強(qiáng)化傳熱的影響，并分析其傳熱強(qiáng)化機(jī)

2、理。
　　微小通道內(nèi)的無(wú)相變Taylor流動(dòng)是一種重要的兩相流型，廣泛應(yīng)用微反應(yīng)器、微電子器件散熱等領(lǐng)域。模擬結(jié)果表明：Taylor氣泡上升速度高于兩相入口速度，隨毛細(xì)數(shù)（Ca）增大而增大，無(wú)量綱的液膜厚度隨氣泡毛細(xì)數(shù)的增大而增大。Taylor流動(dòng)液柱區(qū)域的內(nèi)循環(huán)會(huì)增大壓力損失、提高換熱系數(shù)，Taylor流動(dòng)的內(nèi)部流線與充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)的等溫線吻合.相比單相工況，Taylor流動(dòng)的換熱可較早達(dá)到充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)。方形及矩形通道內(nèi)三維Tay

3、lor氣泡受到壁面的限制作用，在較低的Ca下呈現(xiàn)非軸對(duì)稱形狀，而在較高Ca下，壁面限制作用減弱，Taylor氣泡呈現(xiàn)軸對(duì)稱形狀。循環(huán)區(qū)域的體積隨Ca的增大而降低，無(wú)量綱循環(huán)時(shí)間隨Ca的增大而增大，表明Taylor氣泡的徑向混合作用隨Ca的增大而降低。Taylor流動(dòng)換熱系數(shù)的提高與壓力損失的增大隨內(nèi)循環(huán)區(qū)域的增大及循環(huán)時(shí)間的減小而更加明顯。
　　與單相流動(dòng)及Taylor流動(dòng)不同，微小通道內(nèi)的冷凝流動(dòng)可以利用汽化潛熱，其換熱效果優(yōu)于

4、前者。本文采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)的方法研究微小通道（光管、扁平管及內(nèi)螺紋管）內(nèi)的冷凝換熱阻力特性，結(jié)果表明：冷凝換熱系數(shù)隨干度、質(zhì)量流量、重力加速度的增大和管徑以及飽和溫度的減小而提高；摩擦壓力梯度隨干度、質(zhì)量流量的減小而降低，隨管徑及飽和溫度的減小而增高；液膜厚度隨飽和溫度的增大而逐漸增大，隨著質(zhì)量流量、干度的增大以及管徑、重力加速度的降低而降低，換熱系數(shù)的分布情況與液膜厚度基本相反。液膜雷諾數(shù)（Re）較低時(shí)，液膜區(qū)域湍流度較小，湍流粘度

5、對(duì)液膜區(qū)域的等效導(dǎo)熱系數(shù)的影響較小，換熱系數(shù)主要由液膜厚度決定；隨液膜Re的增大，液膜區(qū)域湍流強(qiáng)度對(duì)換熱系數(shù)的影響要高于液膜厚度的作用。冷凝流動(dòng)相變傳質(zhì)僅存在于相界面附近，通道內(nèi)的汽相介質(zhì)會(huì)向此部分區(qū)域流動(dòng)，在重力的作用下形成一縱向渦，當(dāng)重力作用減弱時(shí)，縱向渦逐漸減小至消失。在相同的換熱面積下，扁平管的換熱系數(shù)及摩擦壓力梯度高于圓管，且隨通道縱橫比的增大而增大，強(qiáng)化作用在高干度及高質(zhì)量流量下更為顯著。扁平通道內(nèi)液膜傾向于集聚在通道的圓弧

6、角落區(qū)域而非通道的底部，通道的頂部與底部液膜較薄，角落區(qū)域較厚。當(dāng)重力作用對(duì)兩相流動(dòng)的影響顯著時(shí)，扁平管的換熱強(qiáng)化效果較低，當(dāng)表面張力及慣性力作用明顯時(shí)，扁平通道具有較好的換熱強(qiáng)化作用。螺旋傾角引起的旋流，促使通道底部液膜沿螺旋槽道流動(dòng)至通道頂部，冷凝過(guò)程中汽液界面基本為軸對(duì)稱形狀。由于螺旋內(nèi)肋的擾流作用，流線呈螺旋狀，螺旋內(nèi)肋的擾流作用主導(dǎo)冷凝流態(tài)，重力作用被抑制，截面流線呈螺旋狀。內(nèi)螺紋管對(duì)應(yīng)的換熱面積提高、環(huán)形流區(qū)域增大、高干度下