微结构及润湿性对气泡动力学的影响

发布时间：2020-03-26 09:24

【摘要】：随着科学技术和制造工艺的不断发展,微电子元器件越来越广泛应用于医学、动力、化工、核能、环境、石油、冶金等领域。高度的集成化和密集化使得元器件的单位热流密度不断增加,散热成为其大规模应用的主要障碍之一。传统的纯液体单相换热工质已很难满足当今元器件的换热需求,为加强微结构元器件的散热,越来越多的研究者将目光集中于两相流换热冷却技术。两相流换热冷却技术既可以利用工质显热交换又可以利用工质蒸发潜热,所以相比于传统的风冷以及单相对流冷却技术,两相流换热可以大大的增强换热效果,基于相变冷却的高性能冷却技术在高热流密度电子元器件领域具有广泛的应用前景。相变冷却技术虽然具有传热效率高的优点,但同时存在沸腾起始温度较高、流动不稳定性等问题,传热效率也有待于进一步提升以满足不断提高的热流密度散热需求。目前,围绕两相流强化换热技术,采用表面微纳结构以及表面润湿性调控来强化传热已成为工程热物理领域的主要研究热点和前沿领域之一。表面微结构及润湿性对两相流换热的影响主要体现在改变相界面的表面能、表面核化穴尺寸及其分布、受热面的毛细吸液能力等等。研究不同微结构以及润湿性匹配条件下的气泡动力学特性以及两相流换热机理,对于新型高效换热表面的开发具有重要的理论和工程价值。为进一步揭示微结构及其润湿性对于气泡动力学的影响,本文基于FLUENT软件VOF模型,在冷态条件下,以空气水为工质,研究了均匀及非均匀润湿性二维平面结构上的气泡动力学特性。针对平面微结构及凹穴微结构,在不同润湿性匹配条件下,研究了从气泡生成到脱离的整个生命周期内气泡界面的扩张特性及三相接触线的变化规律,获得了微结构和润湿性对气泡脱离时间和脱离半径的影响规律。基于流体分割思想,本文提出了一种微通道两相流强化换热技术,即通过分割式创新微结构设计,在微通道沿程方向上,不断实现液体及气泡的周期性分割,液体的周期性分割使得热边界层重新发展从而减小平均换热热阻,大气泡分割成小气泡使得气相体积不变的条件下表面积显著增大,增加了汽液换热面积以及气泡周围的微对流效应,从而强化微通道内的两相流换热。基于VOF模型,在恒壁温条件下,对分割式微通道内以及普通并联微通道内的两相流传热特性进行了对比数值研究,获得了普通平行并联微通道及分割式微通道内的流场和温度场,揭示了气泡分割结构对流场和温度场的影响特性,获得了流体分割强化微通道两相流换热机理。计算结果表明,在相同的工况条件下,单次分割式微通道换热器较普通并联微通道换热器的换热量提高9%。本文的工作主要以数值模拟为主,考虑到相变模型的复杂性,本课题主要采用空气/水在冷态条件下研究了不同微结构和润湿性匹配对气泡动力学的影响规律以及微通道内空气/水两相流换热特性,其研究结果对于实际相变条件下气泡动力学特性以及相变换热特性的研究具有一定的借鉴意义,本文提出的分割式微通道结构也可为微通道换热器的创新结构设计提供新思路。
【图文】：

逡逑朱效谷１１５１等人研究了微结构对气泡的约束与收缩作用，微结构中表面张力逡逑是约束气泡变形最重要的一个因素。朱效谷在台阶上装置电极，基本模型如图１－逡逑１所示，利用电解水产生气泡，观察微结构上气泡的运动情况。研究发现，台阶逡逑的高度对于气泡的约束起着重要的作用。实验结果分析高度较高的台阶对于气泡逡逑约束能力较强。微结构表面润湿性也对气泡偏移十分重要，当台阶高度降低，存逡逑在一个气泡约束临界体积，此时气泡会偏移到润湿性较差的台阶面上。逡逑顶面逡逑ＸＶ邋－邋＼逡逑ｔ邋＾／／／／／邋ｍｍ逦１逡逑？邋Ｚ台阶／邋底面逡逑ｉ邋壚、，逦Ｊ邋／逡逑图１－１台阶约束模型｜｜５１逡逑许玲丽１１６１采用不同规格不同标准的不锈钢针头产生气泡，使其在水中脱离逡逑上升。使用高速粒子成像动态测量技术捕捉气泡的运动轨迹，周围的压力场变化。逡逑基于实验的数据，将气泡脱离分为匀速段和加速段，得出了不同阶段的曳力系数，逡逑采用最小二乘拟合方法

图２－１接触角示意图逡逑接触角的大小一般在０°到〗８０°，不同的大小意味着表面的润湿状态不同。逡逑当0°邋＜邋ｅ邋＜３0°，表面具有很好的润湿性，液滴能在固体表面很好的铺展开，，逡逑对于化学工程中涂料、清洗等具有很大的帮助。逡逑当３０°邋＜０邋＜９０°，具有一定的润湿性，但润湿效果明显减弱。逡逑当９０°邋＜０，固体表面开始不在呈现亲水性，随着接触角不断的增大，固逡逑体表面甚至对液体表现出排斥性，１５０°邋＜０，液滴就会在表面上呈现球形的形状，逡逑随时有可能滑落，比如雨中荷花上的雨滴。１７０°邋＜ｅ的表面，通常被称为超疏水逡逑表面。逡逑２．４．４时间步长的选择逡逑对于微通道气液两相流问题，从物理角度来定义属于瞬态问题，也就是说所逡逑有的物理特性随着时间的变化而变化。为了保证计算的精确性，需要在每一个时逡逑间步长内，保证计算的收敛性，研宄者们引入了一个判断变量Ｃｏ数。逡逑－
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN40

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本文编号：2601257