本文關(guān)鍵詞：微細通道流動沸騰氣泡受限行為特性實驗研究

  更多相關(guān)文章： 微細通道 流動沸騰 受限氣泡 氣泡變形 換熱特性 氣泡滑移

【摘要】：載運工具中高熱流密度裝置或電子元器件的熱管理是影響器件安全運行的重要因素,兩相微細通道熱沉因具有優(yōu)良的傳熱性能和獨特的溫度調(diào)節(jié)能力而被廣泛應(yīng)用。氣泡行為對微細通道流動沸騰換熱特性和流動特性具有重要影響,同時,微細尺度空間中產(chǎn)生的氣泡在MEMS系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景,因此本文通過建立微細通道流動沸騰實驗平臺,系統(tǒng)和深入地研究發(fā)生于微細通道流動沸騰中的氣泡行為特性,揭示區(qū)別于宏觀尺度空間的獨特的氣泡受限行為及其發(fā)生機理。本文實驗研究了在恒定熱流條件下矩形截面微細通道內(nèi)除氣去離子水發(fā)生流動沸騰時的氣泡生長行為。研究發(fā)現(xiàn)受限氣泡和拉長氣泡的形成模式均只有兩種,由單一氣泡持續(xù)生長至受限并拉長或由多個相鄰氣泡合并成為受限或拉長氣泡,而且只有在特定的運行工況條件下才會出現(xiàn)受限／拉長氣泡流。拉長氣泡的生長速率遠大于氣泡開始拉長前的生長速率,然而在整個氣泡生長并拉長過程中,運行工況始終對氣泡生長具有重要影響。氣泡初始形狀以及相鄰氣泡的影響也貫穿整個氣泡生長過程。氣泡界面受力對氣泡行為具有重要影響,本文對拉長氣泡蒸發(fā)界面的受力情況進行了理論分析。微細尺度空間中重力作用可以忽略以及表面張力作用凸顯已達成共識,通過將界面所受蒸發(fā)動量力與粘性剪切力的數(shù)量級與重力和表面張力數(shù)量級進行對比,發(fā)現(xiàn)在通常的微細通道尺度范圍和工程應(yīng)用的熱流密度范圍內(nèi),氣泡蒸發(fā)界面所受到蒸發(fā)動量力的作用可以忽略,而粘性剪切力的作用則需要根據(jù)具體的通道尺度和熱流密度條件進行確定。本文重點研究了單一氣泡持續(xù)生長為拉長氣泡的過程,發(fā)現(xiàn)整個氣泡生長過程可分為三個階段,分別為自由生長階段、受限生長階段和拉長階段。在氣泡自由生長階段,氣泡等效直徑隨時間的變化遵循冪律模型(Deq=ktn),與常規(guī)尺度空間中的氣泡生長規(guī)律一致。而在氣泡受限生長階段,氣泡生長明顯偏離常規(guī)尺度通道流動沸騰中的氣泡生長規(guī)律。通過研究微細通道中流體靜止條件下的氣泡生長過程,初步理解了氣泡受限行為。氣泡受限生長階段的開始以氣泡最大局部空泡份額增加速度減緩和氣泡高長比突然明顯下降的首次同時發(fā)生為標志。在微細通道流動沸騰中,當氣泡進入受限生長階段后,氣泡頂端氣液界面在向通道限制壁面推進過程中曲率逐漸減小,氣泡頂端界面存在扁平化的趨勢,同時氣泡最大局部空泡份額與氣泡高長比的變化過程不再平滑而發(fā)生不規(guī)律波動。在受限生長階段中,氣泡生長速率偏離自由生長階段的冪律模型,等效直徑隨時間呈線性變化關(guān)系(Deq=kt+n)。微細通道中氣泡頂端氣液界面向限制壁面推進速度與其受到的壁面限制力之間存在的負反饋作用導(dǎo)致并維持了氣泡在生長過程中出現(xiàn)的受限行為特征,而氣泡受限行為特征將持續(xù)存在直到氣泡在其高度方向完全受限并向拉長氣泡轉(zhuǎn)變時為止。運行工況對于氣泡受限生長特征具有重要影響,主要體現(xiàn)為受限生長階段占整個氣泡生長過程的不同比例以及氣泡受限起始所對應(yīng)的不同臨界最大局部空泡份額。氣泡受限生長具有比自由生長更強的傳熱能力,因而在整個微細通道流動沸騰中,發(fā)生氣泡受限及拉長的位置通常具有最高的局部換熱系數(shù)。另一方面,氣泡受限生長及拉長將導(dǎo)致微細通道內(nèi)兩相流動的不穩(wěn)定特性,引起上游低熱力學(xué)干度區(qū)氣泡沿通道加熱壁面發(fā)生滑移現(xiàn)象并脫離壁面,造成過冷沸騰區(qū)的泡狀流流型。
【關(guān)鍵詞】：微細通道 流動沸騰 受限氣泡 氣泡變形 換熱特性 氣泡滑移
【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】：2015
【分類號】：TN607
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 1 引言14-30
• 1.1 背景介紹14-17
• 1.1.1 應(yīng)用背景14-16
• 1.1.2 科學(xué)背景16-17
• 1.2 微細通道流動沸騰研究綜述17-28
• 1.2.1 微細通道判別標準18-19
• 1.2.2 微細通道流動沸騰氣泡動力學(xué)研究19-22
• 1.2.3 微細通道流動沸騰流型研究22-26
• 1.2.4 微細通道流動沸騰換熱特性研究26-28
• 1.3 研究目標和主要研究內(nèi)容28-30
• 1.3.1 研究目標28
• 1.3.2 主要研究內(nèi)容28-30
• 2 實驗系統(tǒng)及實驗方法30-40
• 2.1 實驗系統(tǒng)及裝置30-33
• 2.1.1 恒定熱流微細通道流動沸騰實驗系統(tǒng)30
• 2.1.2 微細通道實驗段30-32
• 2.1.3 實驗段熱平衡分析32-33
• 2.2 實驗方法33-34
• 2.2.1 微細通道流動沸騰實驗方法33-34
• 2.2.2 微細通道池沸騰實驗方法34
• 2.3 實驗數(shù)據(jù)處理34-38
• 2.3.1 氣泡特征提取34-35
• 2.3.2 傳熱數(shù)據(jù)處理35-37
• 2.3.3 不確定度分析37-38
• 2.4 本章小結(jié)38-40
• 3 微細通道內(nèi)流動沸騰氣泡生長特性40-64
• 3.1 受限及拉長氣泡形成40-43
• 3.1.1 受限及拉長氣泡形成條件41-42
• 3.1.2 受限及拉長氣泡形成模式42-43
• 3.2 微細通道流動沸騰中氣泡生長及拉長過程43-52
• 3.2.1 典型的氣泡生長及拉長過程43-44
• 3.2.2 運行工況對氣泡生長及拉長的影響44-48
• 3.2.3 氣泡核化初始形狀的影響48-50
• 3.2.4 受限及拉長氣泡間相互作用50-52
• 3.3 拉長氣泡受力分析52-62
• 3.3.1 蒸發(fā)動量力53-55
• 3.3.2 粘性剪切力55-57
• 3.3.3 力的數(shù)量級分析57-62
• 3.4 本章小結(jié)62-64
• 4 受限氣泡動力學(xué)行為特征64-94
• 4.1 微細通道池沸騰中氣泡受限行為特征64-77
• 4.1.1 微細通道池沸騰典型氣泡受限變形特征65-68
• 4.1.2 微細通道池沸騰中氣泡受限機理68-71
• 4.1.3 熱流密度對氣泡受限特征的影響71-74
• 4.1.4 通道尺寸對氣泡受限特征的影響74-77
• 4.2 微細通道流動沸騰中氣泡受限生長特征77-92
• 4.2.1 微細通道流動沸騰典型氣泡受限變形特征78-82
• 4.2.2 微細通道流動沸騰氣泡受限生長速度82-86
• 4.2.3 微細通道流動沸騰氣泡受限生長及變形機理86-89
• 4.2.4 運行工況對氣泡受限的影響89-92
• 4.3 本章小結(jié)92-94
• 5 氣泡受限及拉長對換熱和流動的影響94-110
• 5.1 受限氣泡及拉長氣泡傳熱機理分析94-97
• 5.1.1 受限氣泡傳熱機理94-96
• 5.1.2 拉長氣泡傳熱機理96-97
• 5.2 微細通道流動沸騰換熱特性97-103
• 5.2.1 不同熱流密度條件下的換熱特性98-100
• 5.2.2 不同質(zhì)量流速條件下的換熱特性100-103
• 5.3 氣泡受限及拉長與氣泡滑移103-108
• 5.3.1 典型氣泡滑移現(xiàn)象103-106
• 5.3.2 氣泡滑移機理106
• 5.3.3 運行工況對氣泡滑移的影響106-108
• 5.4 本章小結(jié)108-110
• 6 結(jié)論與展望110-113
• 6.1 本文主要結(jié)論110-111
• 6.2 研究創(chuàng)新點111-112
• 6.3 作不足與展望112-113
• 參考文獻113-122
• 附錄122-124
• 作者簡歷及攻讀博士學(xué)位期間取得的研究成果124-128
• 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集128

【相似文獻】

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前4條

1 張鵬;齊守良;王如竹;;微細通道中液氮流動沸騰的不穩(wěn)定性[A];第八屆全國低溫工程大會暨中國航天低溫專業(yè)信息網(wǎng)2007年度學(xué)術(shù)交流會論文集[C];2007年

2 陳高飛;公茂瓊;吳劍峰;汪勝;;非共沸混合工質(zhì)流動沸騰參數(shù)計算方法研究[A];走中國創(chuàng)造之路——2011中國制冷學(xué)會學(xué)術(shù)年會論文集[C];2011年

3 王林偉;徐豐;田婷婷;劉昊;;飽和流動沸騰中孤立氣泡行為的三維數(shù)值模擬[A];北京力學(xué)會第20屆學(xué)術(shù)年會論文集[C];2014年

4 韓東;黃棟;高璞珍;陳勇;呂路路;;矩形窄通道內(nèi)流動沸騰阻力特性實驗研究[A];中國核科學(xué)技術(shù)進展報告（第二卷）——中國核學(xué)會2011年學(xué)術(shù)年會論文集第3冊（核能動力分卷（下））[C];2011年

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前9條

1 銀了飛;微細通道流動沸騰氣泡受限行為特性實驗研究[D];北京交通大學(xué);2015年

2 顏曉虹;微細通道內(nèi)流動沸騰的實驗和理論研究[D];中國科學(xué)院研究生院（工程熱物理研究所）;2006年

3 常威;矩形細通道內(nèi)流動沸騰特性分析及實驗研究[D];山東大學(xué);2012年

4 譚魯志;流動沸騰臨界熱流密度的流體�；芯縖D];山東大學(xué);2013年

5 付鑫;微細通道內(nèi)液氮流動沸騰熱物理特性與機理的可視化研究[D];上海交通大學(xué);2011年

6 林曦鵬;PDMS微槽道內(nèi)微加熱片表面流動沸騰特性研究[D];清華大學(xué);2013年

7 郭雷;微細通道流動沸騰換熱機理及實驗研究[D];山東大學(xué);2011年

8 孫巖;微/小通道內(nèi)微多孔表面流動沸騰傳熱強化研究[D];華東理工大學(xué);2011年

9 任曉光;在池沸騰和流動沸騰裝置中處理表面上硫酸鈣結(jié)垢過程研究[D];大連理工大學(xué);1999年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 王欣;沿程加熱虹吸泵內(nèi)流動沸騰的數(shù)值模擬[D];東華大學(xué);2016年

2 索羅(Mungai Solomon Kinuthia);電鍍微孔表面對過冷流動沸騰傳熱強化的研究[D];大連海事大學(xué);2016年

3 陳沖;矩形窄通道內(nèi)流動沸騰特性及CHF點的實驗與數(shù)值模擬[D];江蘇大學(xué);2016年

4 何斌;R134a在微小通道內(nèi)的流動沸騰換熱特性研究[D];廣東工業(yè)大學(xué);2016年

5 王碩;微細通道內(nèi)流動沸騰實驗研究[D];北京交通大學(xué);2011年

6 劉傳成;搖擺運動下矩形窄通道內(nèi)流動沸騰阻力特性研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2012年

7 王際輝;微槽道內(nèi)流動沸騰可視化實驗研究與分析[D];中國科學(xué)院研究生院（工程熱物理研究所）;2006年

8 郭昂;豎直矩形窄縫通道內(nèi)過冷流動沸騰的實驗研究與數(shù)值模擬[D];北京交通大學(xué);2014年

9 施蓉蓉;微細通道內(nèi)的流動沸騰換熱特性研究[D];南京航空航天大學(xué);2012年

10 鞠鵬;豎直管內(nèi)液氮過冷流動沸騰的汽泡動力學(xué)研究[D];上海交通大學(xué);2009年

，

本文編號：1032682