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微肋管槽内流动沸腾传热及强化机理研究

刘家尧  
【摘要】:面对日益严峻的国际能源形势,强化传热技术得到了广泛的关注。在无源强化传热技术中,微结构通道强化技术是主要研究方向之一。具体方式为添加微强化结构,并对最小流动单元进行分隔。这可在获得较大比表面积的同时,对流动及相变过程本身进行强化。但目前对微结构强化通道的传热过程的研究仍然欠缺,对主导传热机制及强化机理缺乏理论解释,限制了换热器强化技术的发展。本文对以螺旋内微肋管和窄矩形微通道为代表的微尺度强化通道内流动沸腾传热机理进行了研究。这两种通道内的最小流动单元具有几何上的相似性,且均存在表面张力主导下的薄液膜蒸发机制。本文搭建了流动沸腾通用实验台,分别对微肋管和窄矩形微通道内的两相流型、传热特性及摩擦压降进行了实验研究,并建立了微肋管内液膜流动蒸发理论模型。为对比观测实际工况下光滑管与微肋管内新型工质的流型特性,本文首先设计了一种可控热流密度可视化实验段,利用RGB时序曲线法对各流型进行了判别。在光滑管和微肋管中均观察到六种主导流型,并分析了工况参数对流型转变的影响。结果发现,微肋管内存在吸附肋间液膜、降低流型转变干度和抑制薄液膜收缩及破裂的作用。这些作用可改善内壁面的液相湿润特性,从而提高蒸发换热性能。对现有流型转变关联式进行了评估,并基于实验数据提出了适用于微肋管的各流型转变准则式。本文对比研究了光滑管和微肋管内制冷剂流动沸腾传热系数及摩擦压降特性,讨论了工况参数的影响,并对传热特性和机理进行了分析。结果表明,光滑管内传热机理为核态沸腾与强迫对流的叠加作用,而微肋管内还合并了高干度下的薄液膜蒸发机制。两管内摩擦压降均随质量流率和干度的增加而增加,但与热流密度几乎无关。换热强化系数与面积扩展系数的对比说明微肋管的强化传热机制为扩展表面、增强扰动和薄液膜蒸发的共同作用。对现有模型的性能进行了评估,并提出了推荐的传热及压降预测关联式。根据可视化及传热系数实验结果,本文建立了微肋管内环状薄液膜流动蒸发的理论模型。通过对液膜截面形状与宏观流动的耦合计算,分析了管内平均换热系数随实际工况的变化过程。数值计算结果显示传热系数随管内干度和质量流率的增加而增加,且在蒸发发生前达到峰值。同时将数值计算结果与现有实验数据进行了对比,大部分数据的预测误差在30%以内。本文对制冷低温工况下新型工质在窄矩形微槽通道内的流动沸腾传热特性进行了实验研究。可视化实验发现搅混环状流-环状流为主导流型,且观察到液膜中成核点被长期激活与液相回流的现象。传热实验结果显示热流密度和饱和压力对传热系数有显著影响,而质量流率和干度的影响并不显著。经分析得出核态沸腾与薄液膜蒸发的共同作用是主导传热机制。基于现有传热模型的研究,本文提出了适用于一种新的无量纲参数组合形式的预测关联式。对三种工质预测的总平均绝对误差为14.93%,93.16%数据的预测误差在30%以内。该工作对表面张力主导的强化通道内机理分析及优化分析具有参考意义。


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