不同形状针肋和疏水性微通道沸腾流动换热特性试验研究

发布时间：2020-03-21 18:05

【摘要】：针肋微通道具有高面体比、体积小、传热效率高等优势,在小空间高效散热领域有独特应用,得到了广泛关注。本文设计并搭建了针肋微通道流动与传热试验台,进行了六种针肋形状和疏水表面微通道单相和沸腾流动传热试验。圆形针肋微通道单相流动摩擦阻力系数随雷诺数增加而减小,对流传热系数随雷诺数增大显著增大。加热功率对摩擦阻力系数影响小。入口流体温度越高,摩擦阻力系数越大。圆形针肋微通道内沸腾流动在低雷诺数时压降和摩擦阻力系数较大,沸腾流动压降随雷诺数增大先上升后下降,雷诺数继续增加时,压降缓慢增加。随加热功率和入口水温升高,相同雷诺数下的压降上升,摩擦阻力系数变化小。不同形状针肋微通道内的流动压降随雷诺数增大而增大。三角形和方形针肋压降最大。雷诺数较小时,水滴形针肋和菱形针肋压降小,圆形针肋压降较大,在雷诺数较大时,圆形针肋与菱形针肋压降接近,椭圆形针肋压降较小。微通道底板表面平均温度随雷诺数增加而减小,对流传热系数和努谢尔特数随雷诺数增加而增大。三角形针肋传热系数最大,菱形针肋传热系数最小。针肋形状对微通道内沸腾流动压降影响大。雷诺数较小时,微通道内处于膜态沸腾状态,微通道内蒸汽量大,蒸汽对流动影响大。水滴形和菱形针肋微通道随雷诺数增大沸腾流动压降迅速降低,三角形和方形针肋在低雷诺数下压降增长快。三角形圆形和方形摩擦阻力系数小。底板表面平均温度随雷诺数增加而降低。加热功率越大,入口流体温度越高,底板表面平均温度越高。三角形和方形针肋对流动阻碍大,雷诺数较小时,沸腾剧烈,底板表面温度高。雷诺数较大时,三角形针肋和方形针肋底板温度最低,其次为椭圆形和圆形。水滴形针肋流体扰动小,在微通道内形成稳定的蒸汽膜,底板表面温度高。低雷诺数下,三角形、方形和圆形针肋微通道传热系数小,椭圆形、水滴形和菱形针肋微通道内处于部分膜态沸腾,传热系数大。随雷诺数增加,三角形和方形针肋,对流换热系数显著增加,菱形和水滴形对流换热系数变化小。不同表面接触角的微通道流动压降随雷诺数增加先增大后降低,雷诺数继续增大,压降持续显著增大。疏水性对微通道沸腾流动摩擦阻力有显著影响,疏水表面和超疏水表面的摩擦阻力系数明显小于普通表面。不同疏水性下,微通道底板表面温度随雷诺数增加先迅速下降再平缓降低。疏水针肋微通道沸腾与流动传热可以分为膜态沸腾区、膜态向核态沸腾转变区、核态沸腾区和单相对流换热区。疏水涂层导致壁面有气泡聚集,在表面形成气膜,对对流换热系数影响大。在低雷诺数下,菱形、水滴形和椭圆微通道疏水表面疏水涂层促进了流体流动,传热系数比普通表面高。方形针肋表面因针肋尾部发生边界层分离,流场扰动大,换热系数随雷诺数增加而增加,疏水性没有明显影响。高速摄像仪观测到微通道内流量较小时,流动工质飞溅在微通道顶面形成液滴,随流量增加,流动发展处于膜态沸腾、膜态沸腾向核态沸腾转变、核态沸腾和过冷沸腾状态。加热功率增大,微通道内气泡生长速度快,生长周期缩短,相同时刻下,微通道内气泡半径增大。加热功率对气泡最大半径没有影响,气泡脱离最大半径基本保持不变。针肋末端扰流区气泡脱离半径为0.08mm左右,微通道同排针肋间隙区气泡脱离半径为0.0565mm。随雷诺数增加,针肋尾部区气泡迁移半径缓慢增大再快速增大,达到峰值后减小。对应微通道内部膜态沸腾向核态沸腾转变区、核态沸腾区、过冷沸腾区。气泡脱离半径峰值对应微通道内旺盛核态沸腾的末期。加热功率增加,气泡脱离半径峰值对应的雷诺数增大,加热功率对气泡最大迁移半径影响小。疏水性对针肋末端扰流区膜态沸腾向核态沸腾转变阶段的圆形针肋微通道内气泡迁移半径和微通道内旺盛核态沸腾状态没有明显影响,对核态沸腾区域气泡迁移半径有影响,疏水性增强,气泡迁移半径减小。针肋尾部区有大量气泡聚合,随雷诺数增大,气泡脱离半径先增大后减小,疏水性增强,针肋尾部区域气泡迁移半径明显降低。
【图文】：

针肋排列形式均为叉排，其长度采用游标卡尺来测量，精度为０．１ｍｍ，宽度和厚逡逑度使用螺旋测微计测量，精度为０．０１ｍｍ，微通道针肋部分总长Ｚ＝４０ｍｍ，宽灰＝５．２ｍｍ，逡逑微通道试验件入口和出口为连接部分，所以入口出口处未布有针肋。图２．１和图２．２分逡逑别为微针肋热沉的试验段正面照片和试验段整体实物图。图２．３为微针肋试验段表面逡逑结构示意图。逡逑（ａ）圆形（ｃｉｒｃｕｌａｒ）逦（ｂ）椭圆（ｅｌｌｉｐｓｅ）逡逑誉邋ｉ．—逡逑（ｃ）方形（ｓｑｕａｒｅ）逦（ｄ）菱形（ｄｉａｍｏｎｄ）逡逑（ｅ）三角形（Ｔｒｉａｎｇｌｅ）逦（ｆ）水滴形（ｄｒｏｐ邋ｓｈａｐｅ）逡逑图２．１六种形状针肋热沉试验段正面照片逡逑１２逡逑

逡逑图２．３微针肋试验段表面结构示意图逡逑如表２．２，本课题所用试验段为６块不同形状的叉排试验段。单位均为ｍｍ，其逡逑中，Ｄ为针肋当量直径，／／为肋高，５Ｖ为横向间距（与来流方向相垂直的针肋间距），逡逑乱为纵向间距（与来流方向相平行的针肋间距），，而＆为斜向间距。从为沿流动方向逡逑针肋排数，Ｍ为总针肋个数。本课题的单相流动传热试验和沸腾传热试验均使用以下逡逑６种针肋形状。逡逑表２．邋２叉排微针肋热沉元件的尺寸逡逑序号逦肋片形状逦Ｈ／逦Ｕ逦Ｗ／逦针肋尺寸逦Ｓｉｌ逦ＳＪ逦ＳＤ／逦Ｎｘ／逦Ｎ／逡逑ｍｍ逦ｍｍ逦ｍｍ逦／ｍｍ逦ｍｍ逦ｍｍ逦ｍｍ逡逑１逦圆形（ｃｉｒｃｕｌａｒ）逦０．５逦４０逦５．２逦Ｄ＝０．４逦１．１２逦１．６逦１．７逦１３逦９１逡逑１３逡逑
【学位授予单位】：南京师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK124

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本文编号：2593725