【摘要】：隨著微型電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展,在許多應(yīng)用場景中,如航空航天設(shè)備、高性能微型電子設(shè)備等,其器件的散熱由于尺寸的減小和功率的提高而受到挑戰(zhàn)。微通道相變換熱技術(shù)可以顯著提高換熱器的緊湊度,減小換熱器尺寸和重量,并提供較高的傳熱系數(shù)和良好的表面溫度均勻性。本文搭建微通道流動冷凝實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),并建立有效的物理數(shù)學(xué)模型,從實(shí)驗(yàn)和理論上系統(tǒng)深入研究微通道內(nèi)制冷劑流動冷凝傳熱特性,揭示微通道流動冷凝區(qū)別于常規(guī)尺度下的傳熱機(jī)制。對于克服高度集成化發(fā)熱設(shè)備帶來的散熱挑戰(zhàn)、發(fā)展新型冷卻技術(shù)和完善相變傳熱理論體系具有十分重要的意義。本文實(shí)驗(yàn)研究了水力直徑為0.67mm的矩形微通道內(nèi)制冷劑R410a流動冷凝的流型特征及傳熱規(guī)律。通過流型觀測,發(fā)現(xiàn)沿冷凝流動方向存在環(huán)狀流、環(huán)波狀流、間歇流(彈狀/塞狀流)和泡狀流,當(dāng)質(zhì)量流速高于200kg/(m2s)時,間歇流和泡狀流消失,環(huán)狀流為主要的流動冷凝流型。傳熱實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,基于常規(guī)尺度通道開發(fā)的環(huán)狀流和分層流的傳熱關(guān)聯(lián)式未能準(zhǔn)確預(yù)測微通道內(nèi)流動冷凝的傳熱特征;同時,增大入口質(zhì)量流速和平均干度將提升冷凝傳熱系數(shù),而壁面過冷度和飽和壓力的增大則降低了冷凝傳熱系數(shù)。通過忽略重力的影響并突出表面張力的主導(dǎo)作用,對冷凝環(huán)狀流過程進(jìn)行合理簡化,本文建立了矩形微通道內(nèi)流動冷凝環(huán)狀流一維穩(wěn)態(tài)模型,初步揭示了表面張力在微通道流動冷凝中的重要作用。基于R410a在矩形微通道內(nèi)流動冷凝的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性,模型預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均相對誤差為16.2%。理論分析發(fā)現(xiàn):首先,彎月面半徑沿流動方向呈拋物線狀增大,但其增長速率逐漸變緩,冷凝液膜厚度則沿流動方向呈線性增加;其次,質(zhì)量流速的增加引起氣液界面剪切應(yīng)力增大并降低冷凝液膜的厚度,從而提高了冷凝傳熱系數(shù);最后,水力直徑的減小增強(qiáng)了表面張力的作用,導(dǎo)致彎月面半徑以及冷凝液膜厚度的減小,因而帶來更高的冷凝傳熱系數(shù)。為進(jìn)一步揭示微通道流動冷凝過程中冷凝液的鋪展和分布規(guī)律,建立了流動冷凝環(huán)狀流三維穩(wěn)態(tài)模型。模型的計(jì)算結(jié)果表明,彎月面區(qū)冷凝液在較低雷諾數(shù)下的對流效應(yīng)將增強(qiáng)冷凝傳熱,冷凝傳熱系數(shù)的模型預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)平均相對誤差為5.3%。研究發(fā)現(xiàn),矩形微通道內(nèi)薄液膜區(qū)的范圍沿蒸氣流動方向逐漸縮小而彎月面區(qū)則逐漸擴(kuò)大;同時,薄液膜區(qū)的冷凝液膜厚度呈先增大后減小的變化趨勢,而彎月面區(qū)的氣液界面曲率半徑沿流動方向逐漸增大且冷凝液膜厚度隨之增大。理論分析表明,由于薄液膜區(qū)的氣液界面在表面張力作用下形成復(fù)雜的曲面,產(chǎn)生了指向彎月面區(qū)的正向壓降,驅(qū)動薄液膜區(qū)的冷凝液流向角區(qū)彎月面,即角區(qū)抽吸效應(yīng)。抽吸效應(yīng)的存在降低了薄液膜區(qū)的冷凝液膜厚度,從而增強(qiáng)了冷凝傳熱系數(shù)。研究還發(fā)現(xiàn),角區(qū)的抽吸效應(yīng)沿蒸氣流動方向逐漸增強(qiáng),使得在整個冷凝環(huán)狀流中薄液膜區(qū)保持著較小液膜厚度,增強(qiáng)了環(huán)狀流的冷凝傳熱能力。同時,質(zhì)量流速越大,角區(qū)抽吸效應(yīng)越弱,表明了表面張力的重要性因?yàn)橘|(zhì)量流速的提高而降低。為揭示表面潤濕特性對微通道流動冷凝的影響,通過引入化學(xué)刻蝕與低表面能涂層修飾結(jié)合的方法,實(shí)現(xiàn)了制冷劑R141b在銅表面的接觸角從12.8°提高至21.6°。實(shí)驗(yàn)研究表明,接觸角增大主要是由于通道壁面處表面能的降低,而微通道壁面處表面能的降低引起冷凝液的速度滑移,增強(qiáng)了冷凝傳熱系數(shù)。本文還設(shè)計(jì)了一種具有梯度潤濕特性表面的微通道,實(shí)現(xiàn)了在質(zhì)量流速100-400 kg/(m2s)范圍內(nèi)對冷凝傳熱系數(shù)的增強(qiáng),冷凝傳熱系數(shù)較普通表面通道提高了 16.67%。
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB611
【圖文】：

如圖１－２所示，對于傳統(tǒng)通道（內(nèi)徑大于３ｍｍ），一開始過熱蒸氣在壁面上冷逡逑卻降溫，在該區(qū)域，主要的傳熱機(jī)制是單相強(qiáng)制對流。隨著降溫過程的進(jìn)行，過熱逡逑蒸氣逐漸成為飽和蒸氣并開始在冷壁面上冷凝，出現(xiàn)附著在壁面上的一層液膜，開逡逑始出現(xiàn)環(huán)波狀流（Ｗａｖｙ－ａｎｎｕｌａｒｆｌｏｗ）和光滑的環(huán)狀流（Ａｎｎｕｌａｒｆｌｏｗ）流型。在環(huán)逡逑波狀流區(qū)域，由于液膜的波動導(dǎo)致的界面?zhèn)鳠崦娣e的增加和以及波谷處熱阻的減逡逑小，傳熱系數(shù)與先前區(qū)域相比有所增加。另外，蒸氣以遠(yuǎn)高于液體流動的速度進(jìn)行逡逑流動，促進(jìn)液滴從液膜上分離，從而引起額外的傳熱系數(shù)增量。同時，由于沿著流逡逑動方向的蒸氣不斷產(chǎn)生冷凝，氣液兩相速度差逐漸降低并導(dǎo)致氣液界面上的剪切逡逑應(yīng)力有所降低，導(dǎo)致液膜厚度增加，從而傳熱系數(shù)沿程下降。而由于重力的影響仍逡逑然明顯，在常規(guī)通道冷凝流動中，將出現(xiàn)分層流（Ｓｔｒａｔｉｆｉｅｄ邋ｆｌｏｗ），通道上壁面的逡逑冷凝液膜厚度將明顯小于下壁面的冷凝液膜厚度。在分層流中，由于波動作用和不逡逑穩(wěn)定性的出現(xiàn)，壁面上的冷凝液將連接成為液橋（ｌｉｑｕｉｄ邋ｂｒｉｄｇｅ）并形成塞狀流（Ｓｌｕｇ逡逑ｆｌｏｗ）。隨著冷凝的進(jìn)行，氣塞內(nèi)的氣體不斷冷凝，空泡份額降低，冷凝液膜厚度逡逑增加，流動拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)從細(xì)長的氣泡逐漸變?yōu)榕轄盍鳎ǎ拢酰猓猓欤邋澹妫欤铮鳎�，最后，在所有逡逑氣泡消失后，變�(yōu)閱蜗嘁后w流動。逡逑

邐１引言邐逡逑關(guān)聯(lián)式和模型無法正確預(yù)測微通道中的流動冷凝換熱特性。逡逑對于較小尺度通道內(nèi)冷凝流型的研宄，Ｋｉｍ和Ｍｕｄａｗａｒ［２４］提出了小直徑通道逡逑內(nèi)流動冷凝過程中的流型演變方式。圖１－３顯示了沿通道長度方向的流型轉(zhuǎn)變以及逡逑從單相蒸氣變?yōu)閱蜗嘁后w過程中壓力梯度的分布情況。沿程出現(xiàn)了環(huán)狀流、彈狀流逡逑（間歇流）以及泡狀流，且環(huán)狀流在整個冷凝過程中占據(jù)較大的比例。傳統(tǒng)通道逡逑（圖１－２）與微（�。┩ǖ溃▓D１－３）的流型之間的主要區(qū)別在于，對于微（�。┩ㄥ义系�，重力的分層效應(yīng)可以忽略不計(jì)，分層流不再出現(xiàn)。實(shí)際上，在較小尺度的通道逡逑內(nèi)的流動冷凝過程中，低質(zhì)量流速條件下表面張力效應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)地位而非重力作逡逑用。另一方面，在高質(zhì)量流速的條件下，剪切應(yīng)力效應(yīng)對于微觀和宏觀尺度流動都逡逑是主導(dǎo)地位。逡逑Ｆｌｏｗ邋Ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ逡逑

邐北京交通大學(xué)博士學(xué)位論文邐逡逑了各流型存在的范圍以及轉(zhuǎn)變的邊界，如圖１－５所示。Ｇａｒｉｍｅｌｌａ［２８］對水平放置的毫逡逑米級小管道中冷凝傳熱現(xiàn)象的可視化研究成果進(jìn)行了綜述，并研宄了管道直徑以逡逑及管道截面形狀對流型的影響。發(fā)現(xiàn)隨著當(dāng)量直徑的減小，環(huán)狀流開始出現(xiàn)并且在逡逑流型圖中的范圍越來越大，Ｃｏｌｅｍａｎ和Ｇａｒｉｍｅｌｌａ［２７＾ｌ察到的波狀流逐漸被環(huán)狀流逡逑所取代，當(dāng)水力直徑小至１ｍｍ時，波狀流完全消失。他們認(rèn)為在較小直徑通道中，逡逑環(huán)狀流范圍的大幅增加是因?yàn)楸砻鎻埩Φ闹匾栽谳^小尺度下比重力更高，故而逡逑不會出現(xiàn)分層效應(yīng)，并且表面張力使得波動變得穩(wěn)定，因而波狀流被環(huán)狀流所替代。逡逑

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2783180