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《北京工业大学》 2017年
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复杂结构微通道内流体流动及沸腾传热特性研究

李艺凡  
【摘要】:近年来,随着微加工技术的迅速发展,以微通道为主体的微型设备和系统相继出现,如微型换热器、微混合器、微分离器、微阀、微泵等,微尺度流动和传热已经引起国际学术界的广泛关注。在微电子技术领域,高热流密度微型器件的散热量已经接近l0~7 W/m~2量级,简单结构的微通道热沉已经无法满足冷却需求。在生物化工领域,微流控系统作为微电子机械系统的重要分支发挥着越来越重要的作用。微流控技术通过构建微通道系统来实现各种复杂的流体操纵功能。改进微通道结构能够提高微尺度下流体的混合性能、控制微液滴的生成过程,对微流控芯片的设计和应用有重要意义。本文针对微通道内流体的流动、传热及混合问题,一方面,提出了新型复杂结构微通道热沉,研究了该热沉内单相流体流动及传热特性,并对热沉的几何结构进行了优化;另一方面,对微通道热沉内的流动沸腾特性进行了实验研究,分析了不同类型微通道热沉内的沸腾流型、传热性能、压降及散热面温度特性,揭示了复杂结构微通道热沉强化沸腾传热、抑制流动沸腾不稳定性的机理。此外,还研究了微通道结构对流体混合性能及微液滴生成过程的影响。从而为微通道热沉和微流控芯片的优化设计提供指导。主要包括以下几方面内容:首先,为了进一步提升低雷诺数下凹穴型微通道的传热性能,在凹穴型微通道的中心位置处均匀布置针肋,形成了凹穴和针肋组合式微通道。通过对比矩形微通道,三角凹穴型微通道,矩形针肋型微通道、三角凹穴和矩形针肋组合式微通道,分析了凹穴和针肋组合结构对流动和传热的影响。利用熵产最小化原理分析了新型微通道热沉强化传热的原因。模拟结果表明:凹穴和针肋增加了微通道的传热面积,对通道中心主流流体产生了扰动,形成了局部混沌对流,减小了凹穴处的层流滞止区,具有显著的强化传热效果。凹穴和针肋组合结构能够减小传热不可逆性,提高热沉的传热效率。其次,研究了凹穴和针肋的几何尺寸及形状对微通道内流体流动和传热特性的影响,并对不同结构微通道热沉的综合性能进行了评价。模拟结果表明:针肋的宽度影响其对流体的分离、扰动和阻挡作用;凹穴的宽度影响其对流体的喷射-节流效应;针肋的形状影响主流分离点的位置,从而影响针肋下游漩涡区的面积及通道的压降;改变凹穴形状能够改变凹穴收缩段与主流方向的夹角,从而影响凹穴内的漩涡区及通道的摩擦损失。改变结构参数能够进一步提高热沉的传热性能。再者,建立了微尺度流动沸腾传热可视化实验系统,实现了微尺度流动可视化与传热特性同步测量。设计并加工了三种硅基并联微通道热沉,分别为:矩形微通道热沉、三角凹穴型微通道热沉、三角凹穴及矩形针肋组合式微通道热沉。采用丙酮作为工质,对三种微通道热沉内的流动沸腾特性进行了实验研究,比较了不同类型微通道内的汽泡核化特点、沸腾曲线、传热系数、压降及热沉底面温度特性。此外,分析了质量流速、热流密度对流动沸腾特性的影响。实验结果表明:质量流速和热流密度对热沉的传热性能、压降及流动沸腾不稳定性具有明显影响;矩形微通道内沸腾起始点较高,容易出现蒸汽返流和干涸现象;三角凹穴型微通道能够显著强化沸腾传热,同时减小通道压降,抑制流动沸腾不稳定性;在三角凹穴和矩形针肋组合式微通道内,液膜容易附着在凹穴及针肋处,从而推迟局部蒸干,提高临界热流密度;凹穴和针肋促进了汽泡核化,提高了汽泡脱离频率,质量流速较高时,凹穴和针肋组合式微通道热沉能够有效降低流动沸腾不稳定性。最后,为了提高微尺度下流体的混合性能,提出了一种布置窄缝和矩形针肋的微混合器,对该微混合器内流体的流动和混合特性进行了数值模拟和实验分析。利用场协同原理分析了窄缝和针肋强化混合的原因,研究了窄缝和针肋的几何尺寸对微混合器综合性能的影响。结果表明,窄缝和针肋对流体产生了挤压、加速、分离和扰动作用,使微混合器内形成了漩涡,增加了不同组分流体的接触面积,提高了混合效率。根据场协同原理,改善流体速度场与组分浓度场的协同关系能够强化混合。利用场协同原理分析了微混合器的综合性能,为微混合器性能评价提供了新的方法。此外,采用流体体积法对错流微通道内液滴的形成过程进行了三维数值模拟,研究了通道入口角度、表面张力系数以及连续相粘度对微液滴生成过程的影响,提出了拉伸挤压流型时无量纲液滴长度的关联式。结果表明,拉伸挤压流型时,两相压差和表面张力在液滴生成过程中起主导作用,微通道入口角度及流体物性参数对液滴生成周期及尺寸有明显影响。
【学位授予单位】:北京工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TK124

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