本文關(guān)鍵詞：豎直微通道表面活性劑水溶液流動沸騰換熱特性的數(shù)值模擬　出處：《江蘇大學》2016年碩士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：流動沸騰換熱以其良好的換熱性能受到研究者們的廣泛關(guān)注,但用于集成化、微型化的電子器件冷卻領(lǐng)域時,由于尺度效應,存在諸多異于常規(guī)尺度通道的難題。在水中添加少量表面活性劑,通過改變水溶液的界面潤濕性能、表面張力、溶液物化特性等改善流動沸騰的換熱行為,強化沸騰換熱。因此,研究微通道內(nèi)表面活性劑水溶液的流動沸騰換熱問題,有助于開發(fā)沸騰傳熱強化新技術(shù),實現(xiàn)小空間高熱流熱量的有效轉(zhuǎn)移,滿足電子技術(shù)的集成化、微型化發(fā)展的實際需求。本文利用計算流體力學軟件Fluent對豎直矩形微通道內(nèi)Alkyl(8-16)Glycoside非離子表面活性劑水溶液的流動沸騰換熱特性進行數(shù)值研究�；谄簝上嗔鞯腣OF模型,通過用戶自定義函數(shù)對模型進行補充,構(gòu)建微通道內(nèi)工質(zhì)流動沸騰換熱模型。重點研究水溶液和純水在沸騰換熱特性,特別是汽泡行為(汽化核心的數(shù)量、沸騰換熱過程中的汽泡大小、脫離情況)上的差異。主要工作和結(jié)論如下:(1)對比分析表面活性劑水溶液與純水在ONB點、過冷沸騰階段的換熱特性差異。結(jié)果發(fā)現(xiàn),表面活性劑水溶液更易進入核態(tài)沸騰,ONB點時刻汽泡成核數(shù)較多,Tin=368K、v=0.5m/s及qw=200kW/m2的條件下,0.2mm×20mm豎直矩形微通道內(nèi),300ppm的水溶液ONB點比純水出現(xiàn)時間早3.8ms;以距離入口10~15mm區(qū)域為例,加熱壁面成核數(shù)量是純水的2倍。水溶液過冷沸騰時間周期較長,加熱壁面溫度及出口汽相體積份額變化較大,距離入口10~15mm區(qū)域內(nèi),汽泡直徑較小,脫離直徑也較小,汽泡總數(shù)大于純水。同時,微通道內(nèi)表面活性劑水溶液所需過熱度較小,加熱壁面鄰近區(qū)域溫度較低,可以保證加熱壁面在較低溫度下實現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)移,有利于器件的可靠運行。(2)考察濃度對表面活性劑水溶液在ONB點、過冷沸騰階段換熱特性的影響規(guī)律。相同流速條件下,100ppm~300ppm濃度范圍內(nèi),隨濃度的增大,表面活性劑水溶液ONB點出現(xiàn)時刻相同。但在v=0.3~0.7m/s范圍內(nèi),隨水溶液濃度的增加,加熱壁面在ONB點的成核數(shù)量增多。濃度對不同工況下表面活性劑水溶液的過冷沸騰周期影響不同,但總體來說,隨濃度的增大,微通道內(nèi)汽泡數(shù)量增加,小直徑汽泡所占比例增大。濃度對過冷沸騰加熱壁面過熱度的影響不大。(3)比較表面活性劑水溶液與純水在飽和沸騰階段的流動沸騰換熱效果,研究濃度對水溶液飽和沸騰換熱效果的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),表面活性劑水溶液優(yōu)于純水,Tin=368K、v=0.5m/s及qw=200kW/m2的條件下,距離微通道入口15~20mm區(qū)域,300ppm的表面活性劑水溶液對應的加熱壁面Nu數(shù)小范圍波動,純水對應的加熱壁面Nu數(shù)則出現(xiàn)突降,波動范圍增大。但同一流速條件下,沿流動方向,水溶液加熱壁面Nu均值隨濃度的增加而增大,表明增大水溶液濃度,換熱效果增強。(4)比較表面活性劑水溶液與純水在飽和沸騰階段的流動沸騰換熱可靠性,探究濃度對水溶液飽和沸騰換熱可靠性的影響。表面活性劑水溶液更易維持在穩(wěn)定的飽和沸騰狀態(tài),換熱較可靠,Tin=368K、v=0.7m/s及qw=200kW/m2的條件下,飽和沸騰時,300ppm的水溶液在微通道內(nèi)的過熱程度較輕;純水在微通道內(nèi)的局部過熱溫度是水溶液的1.5倍,水溶液不易出現(xiàn)加熱壁面的嚴重過熱現(xiàn)象。但水溶液濃度對微通道內(nèi)的流動沸騰換熱可靠性的影響較為復雜,有待進一步探索。
[Abstract]:Flow boiling heat transfer with good heat transfer performance has attracted extensive attention of researchers, but for integrated, miniaturized electronic device cooling field, because of scale effect, there are many problems different from conventional scale channels. Adding a small amount of surfactant in water, wetting properties, through changing the water solution the surface tension, the thermal behavior in solution properties to improve flow boiling, enhanced boiling heat transfer. Therefore, the problem of boiling heat transfer in microchannels surface active agent water solution flow boiling heat transfer enhancement contribute to the development of new technology, to realize the effective transfer of small space of high heat flux heat, meet the integration electronic technology, the actual needs of miniaturization. In this paper, using CFD software Fluent on the vertical rectangular micro channel Alkyl (8-16) on boiling heat transfer characteristics of Glycoside nonionic surfactant solution flow Numerical study of gas-liquid two-phase flow VOF model. Based on the model through the user-defined function, construction of micro channel of refrigerant flow boiling heat transfer model. Focus on water solution and pure water in the boiling heat transfer characteristics, especially the bubble behavior (number of nucleation sites of boiling heat transfer in the process of steam bubble size, detachment) of the differences. The main work and conclusions are as follows: (1) comparative analysis of water solution and pure water surface active agent in ONB, subcooled boiling heat transfer characteristics of phase difference. The results showed that the surfactant aqueous solution more easily into the nucleate boiling point ONB bubble nucleation the number of Tin=368K, v=0.5m/s and qw=200kW/m2 under the condition of 0.2mm * 20MM vertical rectangular microchannels, ONB aqueous solution of 300ppm appeared earlier than 3.8ms in pure water; from the entrance of 10~15mm area as an example, the heating wall nucleation number is 2 times of water soluble in water. The longer the time period of boiling liquid cooling, heating wall temperature and outlet vapor volume fraction varies greatly, from the entrance in the 10~15mm region, the bubble diameter, bubble detachment diameter is smaller, the total number of more than pure water. At the same time, the micro channel in the surfactant solution of the overheating is small and the heating wall adjacent area the temperature is low, can ensure the heating wall under the low temperature heat transfer, a reliable operation for devices. (2) the effects of concentration of surfactant in aqueous solution at ONB, subcooled boiling phase influence heat transfer characteristics. The same flow conditions, the concentration range of 100ppm~300ppm, with the concentration increase of surfactant in aqueous solution ONB time. But in the range of v=0.3~0.7m/s, with the increase of the concentration of the aqueous solution, the heating wall increased in the nucleus as the number of ONB. Concentration of aqueous solution of surfactants under different conditions Subcooled boiling cycle is different, but overall, with the increase of concentration, increase in the number of micro channel bubble, bubble diameter small proportion increases. The concentration has little effect on subcooled boiling heating surface superheat. (3) comparison of flow boiling heat transfer effect of surfactant in aqueous solution and in water the saturated boiling stage, concentration of aqueous solution of saturated boiling heat transfer effect. Results show that the surfactant solution is better than that of pure water, Tin=368K, v=0.5m/s and qw=200kW/m2, from the micro channel entrance area of 15~20mm, the heating wall Nu 300ppm surfactant aqueous solution corresponds to the number of small range pure water, heating wall surface corresponding to the Nu number is suddenly increased. But the fluctuation range of the same flow conditions, along the direction of flow of water solution heating wall mean Nu increased, showed that increasing the concentration of aqueous solution, the effect of heat transfer Enhanced. (4) comparison of surfactant in aqueous solution and pure water in the saturated boiling heat transfer reliability stage flow into a saturated aqueous solution concentration on the boiling heat transfer. The reliability of the surfactant solution is more likely to maintain a stable state in the saturated boiling heat transfer, more reliable, Tin=368K, v=0.7m/s and qw=200kW/m2 conditions under saturated boiling, heating of 300ppm water solution in the microchannel is light; the water in the micro channel of the local overheating temperature is 1.5 times of water solution, water solution is not easy to appear the heated wall seriously overheating phenomenon. But the water soluble liquid concentration on the micro channel in the boiling heat transfer reliability the more complex and needs further exploration.

【學位授予單位】：江蘇大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TK124

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本文編號：1430652