發(fā)布時間：2020-04-07 09:13

【摘要】：氣泡微細化沸騰(MEB,Microbubble Emission Boiling)是一種具有超高強度換熱性能的特殊沸騰現(xiàn)象,在高速電子芯片、大功率半導(dǎo)體芯片以及反應(yīng)堆等諸多裝置和設(shè)備的冷卻方面都有極好的應(yīng)用前景。目前MEB現(xiàn)象相關(guān)研究尚處于開始階段,其影響因素等方面的研究還不完善,MEB形成機理并不清楚,因此,本文主要對MEB發(fā)生時的氣泡動力學(xué)行為、聲學(xué)特性、換熱特性,以及凝結(jié)作用和Marangoni效應(yīng)等在MEB形成過程中的作用等進行了詳細的研究。首先,在解決高熱流條件下的密封、絕緣等關(guān)鍵問題基礎(chǔ)上,設(shè)計并搭建了能夠穩(wěn)定、可重復(fù)實現(xiàn)MEB現(xiàn)象的可視化實驗系統(tǒng)。加熱面直徑為10 mm,MEB實驗在常壓下進行,工質(zhì)為蒸餾水,過冷度為0-60 K。實驗中觀察到了典型的MEB現(xiàn)象:當(dāng)過冷度超過20 K、熱流密度到達CHF以后,壁溫短暫躍升(約2-5 s),隨后MEB現(xiàn)象發(fā)生,此時不同于一般沸騰狀態(tài),加熱面上形成的氣泡不會脫離壁面,而是經(jīng)歷快速的局部破碎或者頂部破碎過程,同時伴有微氣泡噴射現(xiàn)象及強烈的沸騰噪聲,熱流密度最高可達7 MW/m2以上;氣泡破碎頻率的平均值隨熱流密度升高而升高,通�？蛇_100 Hz以上,遠高于核態(tài)沸騰時的情況;MEB時加熱面上氣膜各尺寸平均值受過冷度和熱流密度影響相對較小,而半徑變化率最大值隨過熱度升高而升高,甚至可達2.5 m/s;MEB區(qū)域的聲信號波動劇烈且能量峰值所對應(yīng)的頻段與氣泡破碎頻率的峰值接近,在時頻譜中不同頻段的能量峰值交替產(chǎn)生,說明MEB時存在多種氣泡破碎過程,而通過聲信號偏差及離散小波變換可有效區(qū)分自然對流、核態(tài)沸騰、膜態(tài)沸騰以及MEB等不同的沸騰模式;綜合MEB時氣泡破碎與換熱的關(guān)系以及凝結(jié)作用和Marangoni效應(yīng),給出了 MEB時無量綱換熱關(guān)聯(lián)式。為闡明氣液界面凝結(jié)作用在MEB形成過程中所起作用,設(shè)計并搭建了一套用于研究氣泡凝結(jié)破碎過程的可視化實驗系統(tǒng)。實驗中發(fā)現(xiàn),當(dāng)過冷度超過20 K、蒸汽流量超過0.74m3/h時,氣泡凝結(jié)過程會出現(xiàn)與MEB時類似的氣泡破碎和微氣泡噴射現(xiàn)象。氣泡破碎前,其表面通常會形成波數(shù)相對較高的毛細波,而微氣泡的尺寸和數(shù)目與毛細波的波數(shù)有關(guān);基于球面線性不穩(wěn)定性分析進一步發(fā)現(xiàn),較高過冷度下,劇烈的凝結(jié)傳質(zhì)過程會觸發(fā)Landau-Darrieus 不穩(wěn)定性導(dǎo)致氣泡表面毛細波形成,氣泡凝結(jié)過程被強化,進而觸發(fā)Birkhoff不穩(wěn)定性,氣泡最終破碎成大量微氣泡;此外,低過冷度下Landau-Darrieus不穩(wěn)定性在任何表面波數(shù)下均不會觸發(fā),因此氣液界面無毛細波形成,無氣泡破碎現(xiàn)象發(fā)生,這在一定程度上揭示了 MEB現(xiàn)象僅在較高過冷度下發(fā)生的原因。最后,利用流體計算軟件FLUENT分析了破碎前氣泡周圍的微對流過程,以研究Marangoni對流在MEB形成過程中的作用。對于水工質(zhì),在較高過冷度下,由于氣泡邊緣區(qū)域存在較強的Marangoni對流過程,導(dǎo)致氣液界面的不穩(wěn)定性加劇,氣泡邊緣更易發(fā)生局部破碎,與實驗結(jié)果一致;對于酒精工質(zhì),在較高過冷度下,即使凝結(jié)作用較強,但由于氣泡周圍Marangoni對流過程較弱,其產(chǎn)生的最大速度僅為水工質(zhì)時的1/3左右,此時無法形成MEB現(xiàn)象。因此,除氣液界面凝結(jié)作用外,Marangoni對流極有可能是導(dǎo)致氣泡破碎的另外一個重要原因。
【圖文】：

面過熱度下，而Ｓ－ＭＥＢ邋ＩＩ發(fā)生在較高壁面過熱度下且此時壓力波動周期低于Ｓ－ＭＥＢ邋Ｉ逡逑時。Ｋｕｍａｇａｉ等［２６］給出的水平和豎直放置加熱面時過冷度和過冷水流速對ＭＥＢ分區(qū)影逡逑響如圖１．２所示。較高過冷度下，在兩種加熱面時主要發(fā)生的均是Ｓ－ＭＥＢ邋Ｉ。相比于水逡逑平加熱面時，加熱面豎直放置對ＭＥＢ分區(qū)有下述影響：（１）相同流速下，Ｓ－ＭＥＢＩ在逡逑更低的過冷度下發(fā)生，（２）相同過冷度下，，Ｓ－ＭＨＢＩ在更低的流速下發(fā)生，（３）水平時逡逑無ＭＥＢ發(fā)生的工況下可能發(fā)生Ｃ－ＭＥＢ現(xiàn)象。逡逑１００邋￣￣￣￣￣Ｉ￣￣￣■￣Ｉ邋■邐！邐■邋Ｉ邋■邋１邐１００邐■邐１邐邐邐１邐邐邐１邐．邐逡逑■邐Ｉ邋■邋Ｎｏ邋ＭＥＢ￣￣邐邐逡逑v|邋翁邋Ｓ－ＭＥＢＩ邐■邋ＮｏＭＥＢ逡逑８０邋■邐翁邋？邐▲邋Ｓ－ＭＥＢＩＩ邋■邐８０邋－邋？邐Ｓ－ＭＥＢＩ逡逑Ｔ邋ＴｗｏＳ－ＭＥｂＩ邐＊邐＊邋Ｓ－ＭＥＢＩＩ逡逑v|t\0邐

本文編號：2617723