本文關(guān)鍵詞：微液膜對(duì)微通道流動(dòng)沸騰影響機(jī)理的研究

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【摘要】：微型化是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要方向之一,隨之而來的是微型器件超高熱流密度散熱問題,微尺度相變換熱由于其具有相變換熱能力強(qiáng)、換熱比面積大等優(yōu)點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于高性能計(jì)算機(jī)、激光、微電子、動(dòng)力、空間及MEMS等新技術(shù)領(lǐng)域中。然而現(xiàn)有的微尺度相變換熱研究結(jié)果還存在一些不足之處,對(duì)微尺度相變傳熱機(jī)理的認(rèn)識(shí)存在分歧,缺乏普適性的換熱理論模型,此外,微尺度相變換熱中普遍存在的不穩(wěn)定性問題制約著微通道冷卻技術(shù)的發(fā)展,亟需對(duì)不穩(wěn)定性發(fā)生的機(jī)理和規(guī)律開展深入研究,以提出有效的控制方法。微尺度條件下,薄液膜蒸發(fā)換熱對(duì)流動(dòng)沸騰起到非常重要的作用,而微通道流動(dòng)沸騰的不穩(wěn)定性由汽泡急速成長(zhǎng)引起的壓力波動(dòng)引發(fā),從根本上取決于汽泡沿微通道成長(zhǎng)過程中形成的薄液膜分布及其時(shí)間變化。因此,本文以研究微尺度液膜的傳熱和流動(dòng)機(jī)理為途徑,旨在闡明微通道(微槽、微管)內(nèi)流動(dòng)沸騰的傳熱過程和不穩(wěn)定性現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)理,并量化相關(guān)規(guī)律。本文首先對(duì)常溫條件下微尺度氣液兩相流的底層液膜厚度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,以水、乙醇、FC-72作為工質(zhì),使其流過內(nèi)徑分別為0.5 mm和0.75 mm的石英玻璃管,采用激光共聚焦位移計(jì)測(cè)量了液膜厚度隨時(shí)間的變化,采用高速攝像機(jī)進(jìn)行可視化實(shí)驗(yàn)探究微管內(nèi)部流型以及氣泡速度。得到了氣泡速度、相對(duì)滑移速度、空泡份額、汽塞/液塞長(zhǎng)度等與液膜厚度的相互關(guān)系,滑移速度、液膜厚度的理論模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合�；赥aylor流流體動(dòng)力學(xué)本文開發(fā)了表面張力和粘度物性在線測(cè)量的新方法。微通道流動(dòng)沸騰是一個(gè)瞬態(tài)變化的現(xiàn)象,其換熱系數(shù)也隨汽泡的生長(zhǎng)、脫離及液體的再潤(rùn)濕等過程不斷發(fā)生改變。為揭示微通道流動(dòng)沸騰換熱機(jī)理,本文改進(jìn)了微通道流動(dòng)沸騰測(cè)量技術(shù),采用可視化、液膜厚度、局部壁面溫度和進(jìn)出口壓降同步、瞬態(tài)測(cè)量的手段,使空間分辨率達(dá)到20 μm,液膜厚度、壓力、溫度等信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間達(dá)到1ms。實(shí)驗(yàn)以去離子水為流體工質(zhì),微通道內(nèi)徑為0.94 mm,熱流密度范圍在20～120kW/m2,質(zhì)量流量范圍在50～400kg/m2s。通過對(duì)微通道壁面涂覆氧化銦錫(ITO)來實(shí)現(xiàn)壁面均勻加熱以及可視化研究。采用激光共聚焦位移計(jì)測(cè)量了微通道流動(dòng)沸騰過程中液膜厚度的瞬態(tài)變化,得到了液膜厚度瞬態(tài)分布圖,通過理論分析建立了液膜厚度的動(dòng)力學(xué)變化模型。微通道流動(dòng)沸騰底層微液膜蒸發(fā)對(duì)換熱起到非常重要的作用。本文結(jié)合微通道流動(dòng)沸騰可視化實(shí)驗(yàn),定量研究了汽泡成長(zhǎng)過程中瞬態(tài)液膜厚度,同時(shí)測(cè)量壁面瞬態(tài)溫度分布,瞬態(tài)進(jìn)出口壓力分布;從而得到了換熱系數(shù)、壓降等在汽泡核化、生長(zhǎng)、脫離等各個(gè)階段的瞬態(tài)變化。此外,本文還研究了汽泡成長(zhǎng)過程中的不穩(wěn)定性,闡述了微通道流動(dòng)沸騰不穩(wěn)定性機(jī)理。最后,本文在微通道流動(dòng)沸騰換熱實(shí)驗(yàn)和機(jī)理研究的基礎(chǔ)上,通過對(duì)三區(qū)理論模型進(jìn)行改進(jìn),建立了微通道流動(dòng)沸騰下的換熱機(jī)理模型。理論模型預(yù)測(cè)結(jié)果顯示低熱流密度下液塞區(qū)對(duì)流換熱和薄液膜蒸發(fā)換熱機(jī)理共同促進(jìn)了換熱系數(shù)的提高,而高熱流密度下干涸區(qū)時(shí)間增加使換熱系數(shù)降低。改進(jìn)后的瞬態(tài)換熱理論模型可以更好地預(yù)測(cè)換熱系數(shù)隨熱流密度的變化規(guī)趨勢(shì),并能更好地反映實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TK124

【相似文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1290282