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周期性扩缩微通道单相及两相流动传热特性研究

柴磊  
【摘要】:进入新世纪以来,随着微加工技术的日臻完善,国际传热学界已经开始着手迎接新的挑战,即发展结构更为复杂的第二代微通道传热技术,周期性扩缩微通道便是其中的一种。一方面,截面面积的周期性变化能够中断热边界层,使换热得到强化;另一方面,截面面积的周期性变化可以改变气液两相流型,进而对流动与传热特性产生重要影响。尽管大量有关传统型等截面微通道的研究结果为周期性扩缩微通道的研究提供了很多有价值的参考信息,但是人们尚不清楚传统等截面微通道内流体流动传热特性的研究结果是否适用于周期性扩缩微通道,很多问题需要通过深入研究予以澄清。为此,本文对周期性扩缩微通道内单相及气液两相流动与传热特性进行深入的研究。 首先,基于微尺度强化传热机理,设计加工了多种周期性扩缩微通道热沉,并通过实验和数值计算相结合的研究方法,以传统等截面直通道热沉为参照,研究了周期性扩缩微通道内单相液体的摩擦阻力以及强化传热特性。结果显示,微尺度下层流向紊流转变的Re数提前,大约发生在1000-1100的范围内,而且凹穴对提前转变的Re数影响不大。随Re数增加周期性扩缩微通道摩擦阻力系数逐渐大于矩形直通道,且随着流量的增大,二者的差距逐渐拉大。较小Re数下,周期性扩缩微通道热沉的换热效果不如矩形直通道热沉;而在较大Re数条件下,其换热效果远大于等截面矩形直通道,且随Re的增大强化传热效果越好。相同泵功处,对应于Nu数随Re数的变化,周期性扩缩微通道会产生更小的热阻,尤其以扇形凹穴型微通道和扩缩比为3:7的三角凹穴型微通道为佳。周期性扩缩微通道强化传热机理主要归结于:凹穴处形成的二次流与主流混合促进热交换;热边界层被破坏,提高了等截面段的对流换热系数;截面扩缩变化,增大对流换热面积。 其次,利用CFD计算流体力学模拟与分析软件对三种不同结构的周期性扩缩微通道内单相液体的流动与传热特性进行三维数值模拟,研究微通道截面形状及尺寸、截面变化周期及幅值和流体速度等一系列参数对流体流动与传热特性的影响。且根据在给定泵功下,微通道热沉总热阻最小这一基本出发点,以强化传热因子(Nu/f~(1/3))/(Nu_0/f_0~(1/3))作为评判标准,得到三种周期性扩缩微通道热沉优化结构参数范围。同时研究表明,当凹穴间距小到一定程度及小Re数下,流体从凹穴“滑”过去的趋势占主要地位,影响了换热;在大Re数下,凹穴处形成的二次流与主流充分混合,并且等截面段处于较高水平的热进口段,从而强化了换热效果。影响横断扰流微通道内流体流动传热特性的主要因素有:主流分离、回流或者涡流、边界层中断。矩形扰流元一方面可以促进主流冷流体与二次流热流体的有效混合;另一方面,通过撞击冲刷打断热边界层等提高对流换热系数。小Re数下,扰流元可显著提高微通道热沉的强化换热特性。随Re数增大,扰流元的强化换热作用逐步消减。 再者,采用以IDT高速摄像仪和Nikon生物显微镜为主体的微流体实验测试系统,实验研究周期性扩缩微通道内氮气/水气液两相流型及压降特性,并分别采用均相及分相模型研究了氮气/水气液两相压降特性。结果显示,由于流通截面的扩缩变化,周期性扩缩微通道氮气/水间歇流子流型跟矩形直通道相比有很大不同。随气液两相表观流速变化,间歇流子流型依次呈现环状/单相液体交替流型、弹状/环状/单相液体交替流型、弹状/单相液体交替流型、雾状/弹状/单相液体交替流型和雾状/单相液体交替流型,得到不同气液两相表观流速下三种周期性扩缩微通道内流型分布图。均相流模型的计算结果同实验值有较大出入。尽管分相流模型在一定程度上引入了气液两相的相互作用,但是仍无法精确地描述周期性扩缩微通道内氮气/水气液两相的运动与空间分布。 最后,采用实验研究和数值模拟相结合的方法,研究了PDMS周期性扩缩单通道内空气/水气液两相流型及其演变特性。观察到的主要流型为间歇流和分离流。对于间歇流,气体以离散形式分布在液相中或者是液体以分散形式分布在气相中,而且气相分散跟液相分散交替存在。对于分离流,气体主要沿气体进口壁侧流动,液体主要沿液体进口壁侧流动。两相中存在明显的分界面,沿流动方向界面产生波动。


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