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微细通道内饱和流动沸腾传热特性分析

邓君  
【摘要】:随着现代制造技术发展,微细通道内的饱和流动沸腾传热在微电子机械及大规模集成电路的冷却、航空航天和生物工程中环境温度控制、材料加工过程的制冷等领域具有巨大的应用前景。本文以去离子水及质量分数分别为0.3%、0.5%及0.9%的Al2O3水基纳米流体为工质,在三种不同截面尺寸的微细通道内进行饱和流动沸腾传热的实验研究。微细通道由15条平行等距放置的通道组成,三种微细通道的宽分别为0.3mm、0.6mm及0.9mm,高为2mm。主要研究内容与得到的成果如下所示: 在实验段未经过抛光处理的条件下,通过分析微细通道内饱和流动沸腾传热随质量流速和热流密度的变化可知,当质量流速较高或热流密度较低时,质量流速对传热系数的影响较小,传热系数随质量流速的增加而显著增大。但是当质量流速较低且热流密度较高时,泡核沸腾受到抑制,会出现传热系数随质量流速减小而略微下降的情况。研究不同浓度的纳米流体对传热系数的影响。相比于去离子水,纳米流体能够强化微细通道内的饱和流动沸腾传热,且传热系数随纳米颗粒的含量增加而增大。通过分析不同宽度的通道内的传热系数的对比可知,减小通道的宽度,传热系数提高。本次实验数据与前人的研究成果对比可知,尚无模型可以准确预测本次实验传热系数。 实验中通过化学抛光的方法改变微细通道内壁面粗糙度。经过化学抛光后的传热壁面变得更加光滑,即粗糙度降低。实验结果表明,无论传热的主导机理是泡核沸腾传热亦或是对流蒸发传热,传热系数随通道内传热壁面的粗糙度的减小而下降,且去离子水的下降幅度要高于纳米流体。 对微细通道内的饱和流动沸腾传热区进行可视化研究。获得不同热流密度及质量流速条件下,以去离子水和质量分数为0.3%纳米流体为工质,距进口约160mm处流体内流型的变化图像。对图像的分析发现,环状流的出现与干度有重要关系,且当干度较高时,会出现环状流及液相流交替出现的现象,此时泡核沸腾受到抑制。相同条件下,纳米流体的流型变化与去离子水相似,只是在泡状流状态下,气泡脱离频率更快且大都为小气泡。


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