【摘要】：針肋微通道具有高面體比、體積小、傳熱效率高等優(yōu)勢,在小空間高效散熱領域有獨特應用,得到了廣泛關注。本文設計并搭建了針肋微通道流動與傳熱試驗臺,進行了六種針肋形狀和疏水表面微通道單相和沸騰流動傳熱試驗。圓形針肋微通道單相流動摩擦阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)增加而減小,對流傳熱系數(shù)隨雷諾數(shù)增大顯著增大。加熱功率對摩擦阻力系數(shù)影響小。入口流體溫度越高,摩擦阻力系數(shù)越大。圓形針肋微通道內沸騰流動在低雷諾數(shù)時壓降和摩擦阻力系數(shù)較大,沸騰流動壓降隨雷諾數(shù)增大先上升后下降,雷諾數(shù)繼續(xù)增加時,壓降緩慢增加。隨加熱功率和入口水溫升高,相同雷諾數(shù)下的壓降上升,摩擦阻力系數(shù)變化小。不同形狀針肋微通道內的流動壓降隨雷諾數(shù)增大而增大。三角形和方形針肋壓降最大。雷諾數(shù)較小時,水滴形針肋和菱形針肋壓降小,圓形針肋壓降較大,在雷諾數(shù)較大時,圓形針肋與菱形針肋壓降接近,橢圓形針肋壓降較小。微通道底板表面平均溫度隨雷諾數(shù)增加而減小,對流傳熱系數(shù)和努謝爾特數(shù)隨雷諾數(shù)增加而增大。三角形針肋傳熱系數(shù)最大,菱形針肋傳熱系數(shù)最小。針肋形狀對微通道內沸騰流動壓降影響大。雷諾數(shù)較小時,微通道內處于膜態(tài)沸騰狀態(tài),微通道內蒸汽量大,蒸汽對流動影響大。水滴形和菱形針肋微通道隨雷諾數(shù)增大沸騰流動壓降迅速降低,三角形和方形針肋在低雷諾數(shù)下壓降增長快。三角形圓形和方形摩擦阻力系數(shù)小。底板表面平均溫度隨雷諾數(shù)增加而降低。加熱功率越大,入口流體溫度越高,底板表面平均溫度越高。三角形和方形針肋對流動阻礙大,雷諾數(shù)較小時,沸騰劇烈,底板表面溫度高。雷諾數(shù)較大時,三角形針肋和方形針肋底板溫度最低,其次為橢圓形和圓形。水滴形針肋流體擾動小,在微通道內形成穩(wěn)定的蒸汽膜,底板表面溫度高。低雷諾數(shù)下,三角形、方形和圓形針肋微通道傳熱系數(shù)小,橢圓形、水滴形和菱形針肋微通道內處于部分膜態(tài)沸騰,傳熱系數(shù)大。隨雷諾數(shù)增加,三角形和方形針肋,對流換熱系數(shù)顯著增加,菱形和水滴形對流換熱系數(shù)變化小。不同表面接觸角的微通道流動壓降隨雷諾數(shù)增加先增大后降低,雷諾數(shù)繼續(xù)增大,壓降持續(xù)顯著增大。疏水性對微通道沸騰流動摩擦阻力有顯著影響,疏水表面和超疏水表面的摩擦阻力系數(shù)明顯小于普通表面。不同疏水性下,微通道底板表面溫度隨雷諾數(shù)增加先迅速下降再平緩降低。疏水針肋微通道沸騰與流動傳熱可以分為膜態(tài)沸騰區(qū)、膜態(tài)向核態(tài)沸騰轉變區(qū)、核態(tài)沸騰區(qū)和單相對流換熱區(qū)。疏水涂層導致壁面有氣泡聚集,在表面形成氣膜,對對流換熱系數(shù)影響大。在低雷諾數(shù)下,菱形、水滴形和橢圓微通道疏水表面疏水涂層促進了流體流動,傳熱系數(shù)比普通表面高。方形針肋表面因針肋尾部發(fā)生邊界層分離,流場擾動大,換熱系數(shù)隨雷諾數(shù)增加而增加,疏水性沒有明顯影響。高速攝像儀觀測到微通道內流量較小時,流動工質飛濺在微通道頂面形成液滴,隨流量增加,流動發(fā)展處于膜態(tài)沸騰、膜態(tài)沸騰向核態(tài)沸騰轉變、核態(tài)沸騰和過冷沸騰狀態(tài)。加熱功率增大,微通道內氣泡生長速度快,生長周期縮短,相同時刻下,微通道內氣泡半徑增大。加熱功率對氣泡最大半徑?jīng)]有影響,氣泡脫離最大半徑基本保持不變。針肋末端擾流區(qū)氣泡脫離半徑為0.08mm左右,微通道同排針肋間隙區(qū)氣泡脫離半徑為0.0565mm。隨雷諾數(shù)增加,針肋尾部區(qū)氣泡遷移半徑緩慢增大再快速增大,達到峰值后減小。對應微通道內部膜態(tài)沸騰向核態(tài)沸騰轉變區(qū)、核態(tài)沸騰區(qū)、過冷沸騰區(qū)。氣泡脫離半徑峰值對應微通道內旺盛核態(tài)沸騰的末期。加熱功率增加,氣泡脫離半徑峰值對應的雷諾數(shù)增大,加熱功率對氣泡最大遷移半徑影響小。疏水性對針肋末端擾流區(qū)膜態(tài)沸騰向核態(tài)沸騰轉變階段的圓形針肋微通道內氣泡遷移半徑和微通道內旺盛核態(tài)沸騰狀態(tài)沒有明顯影響,對核態(tài)沸騰區(qū)域氣泡遷移半徑有影響,疏水性增強,氣泡遷移半徑減小。針肋尾部區(qū)有大量氣泡聚合,隨雷諾數(shù)增大,氣泡脫離半徑先增大后減小,疏水性增強,針肋尾部區(qū)域氣泡遷移半徑明顯降低。
【圖文】：

針肋排列形式均為叉排，其長度采用游標卡尺來測量，精度為０．１ｍｍ，寬度和厚逡逑度使用螺旋測微計測量，精度為０．０１ｍｍ，微通道針肋部分總長Ｚ＝４０ｍｍ，寬灰＝５．２ｍｍ，逡逑微通道試驗件入口和出口為連接部分，所以入口出口處未布有針肋。圖２．１和圖２．２分逡逑別為微針肋熱沉的試驗段正面照片和試驗段整體實物圖。圖２．３為微針肋試驗段表面逡逑結構示意圖。逡逑（ａ）圓形（ｃｉｒｃｕｌａｒ）邐（ｂ）橢圓（ｅｌｌｉｐｓｅ）逡逑譽邋ｉ．—逡逑（ｃ）方形（ｓｑｕａｒｅ）邐（ｄ）菱形（ｄｉａｍｏｎｄ）逡逑（ｅ）三角形（Ｔｒｉａｎｇｌｅ）邐（ｆ）水滴形（ｄｒｏｐ邋ｓｈａｐｅ）逡逑圖２．１六種形狀針肋熱沉試驗段正面照片逡逑１２逡逑

逡逑圖２．３微針肋試驗段表面結構示意圖逡逑如表２．２，本課題所用試驗段為６塊不同形狀的叉排試驗段。單位均為ｍｍ，其逡逑中，Ｄ為針肋當量直徑，／／為肋高，５Ｖ為橫向間距（與來流方向相垂直的針肋間距），逡逑亂為縱向間距（與來流方向相平行的針肋間距），，而＆為斜向間距。從為沿流動方向逡逑針肋排數(shù)，Ｍ為總針肋個數(shù)。本課題的單相流動傳熱試驗和沸騰傳熱試驗均使用以下逡逑６種針肋形狀。逡逑表２．邋２叉排微針肋熱沉元件的尺寸逡逑序號邐肋片形狀邐Ｈ／邐Ｕ邐Ｗ／邐針肋尺寸邐Ｓｉｌ邐ＳＪ邐ＳＤ／邐Ｎｘ／邐Ｎ／逡逑ｍｍ邐ｍｍ邐ｍｍ邐／ｍｍ邐ｍｍ邐ｍｍ邐ｍｍ逡逑１邐圓形（ｃｉｒｃｕｌａｒ）邐０．５邐４０邐５．２邐Ｄ＝０．４邐１．１２邐１．６邐１．７邐１３邐９１逡逑１３逡逑
【學位授予單位】：南京師范大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TK124

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