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垂直狭缝流道内单相和两相换热实验及分析模型

蒲鹏飞  
【摘要】: 窄缝通道具有结构紧凑、换热温差低等优点,因此该无源强化传热技术被广泛应用在微电子、低温制冷、化工及其航空航天等领域。近年来,窄流道内单相及两相流动的热工水力特性及其机理的研究受到广泛关注。对于狭缝通道内换热研究,国内外研究者主要针对环形狭缝、低潜热工质,同时理论研究也比较少见。 本文以水为工质,对不同狭缝间隙窄通道试验段内的单相强迫对流换热、两相沸腾换热进行了实验研究,同时对两相环状流区建立了沸腾传热模型,模型预测值同本文实验关联式进行了比较。实验结果表明:单相强制对流换热实验中,竖直矩形狭缝通道内单相换热特性与普通圆管有较大区别,常用的紊流对流换热Dittus-Boelter关系式不能用于窄缝通道内换热计算。在实验参数范围内,将实验值拟合得到半经验关系式: Nu = 10.7Re~(0.1292) Pr~(-1 .1189)w~(-0.6382),同实验值相比较,平均相对误差在11.1%以内。另外,单相强制对流实验中发现:单面加热和双面加热的换热特性并不一样。单面加热时,平均换热系数随热流密度的增大而增大,随质量流速的增大而减小;双面加热时,平均换热系数并不随热流密度或质量流速单一因素单调变化而呈现单调性,这可以归结为受双面加热时热边界层的相互制约作用的影响。两相流动沸腾换热实验中,在实验参数范围内,饱和沸腾换热系数随窄缝宽度,入口压力的增大而减小,随质量流速,热流密度和干度的增加而增大。矩形窄缝中饱和流动沸腾与大通道有显著不同。利用实验参数,进行多元线形回归后拟合出实验关系式: Nu =21.33Re~(0.2434)Bo~(-0.0238)Pr~(1.0392)x~(0.7146),其计算结果与实验数据平均相对误差在±12%之内。 本论文首次对矩形竖直狭缝有液滴卷吸时环状流阶段建立了沸腾换热分析模型,对液膜厚度、液膜内温度和速度分布、沸腾换热系数进行了计算。结果表明:矩形狭缝通道内的液膜厚度随干度、质量流速增加而减薄;随流道间隙的增加而增厚,液膜温度梯度随热流密度增加而增大;液膜速度梯度在流向方向上是增大的;汽液滑速比随质量流速的增大而增大;在狭缝间隙、质量流速和加热热流密度不变的情况下,相同质量含汽率时,随着入口压力的升高,液膜的平均流速将减小。将模型预测值同本实验数据拟合得到的关系式计算值相比较,发现模型预测值比实验关联式拟合值低22.06%,主要原因在于该模型主要针对的是完全环状流流动沸腾换热,而实验中有些工况完全有可能同时存在泡状流和环状流,另外,模型也没有考虑到液体蒸发后体积急剧增加,流速加大后会使得液膜变薄,从而导致换热条件的变化。


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