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蒸发薄液膜及新型微槽平板热管传热性能的研究

寇志海  
【摘要】:当微细通道的特征尺寸与液体自由表面的曲率半径处于同一量级时,受热固壁表面的液体将在表面张力的作用下,形成弯曲形状的蒸发弯月面。基于控制力的不同,蒸发弯月面可分为平衡薄液膜、蒸发薄液膜以及本征弯月面区域。在本征弯月面区域表面张力占主导地位,而蒸发薄液膜区域则由固液分子吸引力和表面张力共同控制。 蒸发薄液膜的液膜厚度一般从几个纳米增大到几百个纳米,传热热阻很小,具有极高的蒸发传热系数,发生强烈的传热传质过程。固-液-气三相接触线附近的蒸发薄液膜可以极大强化微尺度传热传质,是获得高传热系数和高热流的重要手段。蒸发薄液膜传热传质的机理研究已成为国际上的研究热点。 微槽平板热管是利用具有高强度蒸发能力的弯月面薄液膜蒸发来强化传热的。由于微槽平板热管的微槽道特征尺寸很小,导致每个微槽道内固-液-气三相接触线附近的蒸发薄液膜的相对重要性大大增加,其对整个微槽平板热管传热性能的影响相当显著。 微槽平板热管内蒸汽通道互相连通的结构能够有效地降低热管内蒸汽和液体反向流动所产生的气液界面剪切摩擦力,使热管的传热性能显著提高;并易于在每个微槽道内三相接触线附近促进蒸发薄液膜的形成,创造高强度的蒸发换热条件。因此微槽平板热管的传热性能受到了广泛关注。 本文的主要工作及结论如下: 1.对蒸发薄液膜固液界面处动量传递和能量传递的耦合过程进行三维非平衡分子动力学模拟。金属固壁使用嵌入式原子方法模型,该模型考虑了金属原子与自由电子之间的相互作用。利用Green-Kubo公式计算热流和导热系数。获得了蒸发薄液膜固液界面处的速度滑移长度和界面热阻长度。结果表明,采用嵌入式原子方法模型,对固液界面热阻长度的影响较大,而对固液界面速度滑移长度的影响可以忽略。 2.将分子动力学模拟获得的固液界面处速度滑移和温度跳变作为蒸发薄液膜固液界面处的边界条件。结果发现,当液体不能润湿固壁表面时,固液界面处的温度跳变将明显降低蒸发薄液膜的实际过热度。尽管固液界面处的速度滑移可以增强蒸发薄液膜的传热传质能力,但是综合考虑固液界面处速度滑移和温度跳变的影响时,总体上还是削弱了蒸发薄液膜的传热传质能力。 3.建立了考虑蒸发系数的变化以及惯性力影响的蒸发薄液膜传热传质理论模型。结果发现,随着蒸发系数的减小,蒸发薄液膜的气液界面热阻增大,将极大削弱蒸发薄液膜的传热传质能力。惯性力对蒸发薄液膜传热传质性能的影响可以忽略不计。


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