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《上海交通大学》 2011年
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微加热器表面微尺度沸腾特性及基于Gibbs自由能的成核热力学分析

陈钢  
【摘要】:微电子技术与微加工技术的快速发展为微流体系统的发展提供了契机,微流控芯片、微致动器、微混合器、微化学反应器、微燃料电池等各种微热流系统相继涌现,显示出了广泛的应用前景。这些应用中广泛涉及微流体流动传热与传质现象,且对微流体系统的性能起着决定性的作用,因而关于其特性与机理的研究,也就成为目前国内外研究的热点。其中微流体系统中的微汽泡生成技术、利用附加电场效应控制微汽泡生成大小及频率、微汽泡在微泵中的应用以及外加电场强化微通道沸腾传热等研究内容,己经成为当前工程热物理领域的研究热点。然而,目前由于传统理论及实验手段的限制,对微尺度沸腾成核的实验研究尚未达到系统和完善,许多实验现象并未得到有效研究和分析,对其机理缺乏深入认知。尤其在理论分析方面,更是缺乏系统的有效的研究。本文重点研究恒定及脉冲热流下微尺度沸腾现象及其受各种因素的影响效果,并建立相应的热力学分析模型,结合实验研究,了解微尺度成核机理。在实验研究方面,本文利用先进的MEMS技术,将微Pt加热元件及微电极集成封装在硅微通道内,利用Pt良好的温度电阻特性,得到沸腾过程中的温度响应。并利用高速CCD及显微镜,将观察到的沸腾现象记录下来。在理论分析方面,基于化学势定义,综合各种影响因素和条件,对过热液体层内非均相成核进行热力学分析。 针对恒定热流下的微尺度沸腾成核,首先对微尺度沸腾及微汽泡动力学进行实验研究,通过改变热流密度及流速,观察到了三种不同的微汽泡喷射现象。并通过周期性温度响应,分析了周期性沸腾现象,发现微汽泡喷射现象的产生可以降低温度或减缓温度上升趋势,最后得到了微汽泡喷射现象发生的区域。在理论方面,针对恒定热流条件,基于Gibbs自由能及可用能,考虑了壁面温度梯度的影响,对过热液体层内非均相成核进行了热力学分析。对恒定热流下具有温度梯度的非均相成核,沸腾起始的临界半径随着接触角的增加(更疏水表面)而减小,即导致成核更容易发生。当接触角增大时,对同一热流密度只需要较小的成核温度,即成核更容易发生,壁面成核温度随着壁面温度梯度的增加而增加。本模型预测的成核热流密度与已有的实验数据及经典公式符合得较好。 针对脉冲热流下的微尺度沸腾成核,通过对脉冲热流下微尺度沸腾现象及微汽泡动力学进行实验研究,得到固定脉冲宽度时质量流量及热流密度变化时的微尺度沸腾流型图。分析了规律性单汽泡周期过程中不同热流密度下的微汽泡直径变化,发现随着热流密度增加,沸腾提前,汽泡直径整体较大。通过研究脉冲宽度及质量流量对微尺度沸腾的影响后发现,在一定的脉冲宽度及质量流量条件下,随着热流密度的增加,微尺度沸腾过程可以分为单相、核态沸腾、膜态沸腾及干涸点4个区域,脉冲宽度的增加能够引起沸腾区域的提前转变。脉冲宽度及质量流量对沸腾起始时间与热流密度的关系几乎没有影响,且满足Hsu的经典成核公式。在理论分析方面,针对脉冲热流情形,根据瞬态热传导理论修正了前述恒定热流下的稳态模型,通过对脉冲热流下水、酒精和R113的非均相成核进行分析发现,临界半径均随着脉冲宽度增加而增大,其中对同一脉冲宽度水的临界半径最大,而酒精的最小。根据成核热流密度和成核温度的实验数据确立了三种流体各自从瞬态模型到稳态模型的转变脉冲宽度。在这个脉冲宽度以下沸腾成核取决于脉冲宽度,其临界半径和成核热流密度使用瞬态模型,而在这个脉冲宽度以上则适用稳态模型。临界半径和成核所需总能量随着脉冲宽度的增加而增加,而另一方面,成核所需的功率则随着脉冲宽度的增加而减小,意味着增加脉冲宽度使得成核更加容易。 针对两种典型的强化换热方式,分别研究了表面活性添加剂及外加电场对微尺度沸腾的影响。通过对非离子表面活性剂Triton X-100影响沸腾流型、沸腾起始及换热的研究发现,当浓度低于cmc时,成核所需的热流随着浓度的增加而增加,而成核温度则降低,当浓度高于cmc时,成核温度高于纯水。随着添加表面活性剂,沸腾变得更剧烈。沸腾换热系数随着表面活性剂的添加极大的增强了,直到达到cmc后,重新开始降低。而通过实验研究外加电场对沸腾起始热流密度、成核温度、成核点数量及其换热系数的影响效果,发现电场延迟了起始沸腾,使沸腾所需热流密度随之增加,相同热流密度下沸腾成核时间随之延后。对同一热流密度,电场降低了壁面温度梯度,导致成核温度下降,且汽泡相对较小。在较高热流下,当电场增加到一定程度时,微加热器表面开始出现多个成核点,并据此得到了成核点数随热流密度及电场变化的分布图。在理论分析方面,根据电场作用修正了稳态热力学模型,对外加电场作用下的成核,充分考虑了介电常数随温度变化的因素,通过分析可以发现成核临界半径及成核能量壁垒随着外加电场的增强而增大,成核变得更加困难,而对同一壁面温度,壁面温度梯度则随着电场的增强而降低。
【学位授予单位】:上海交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TK124

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【参考文献】
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