T型微通道分离气液两相流研究

发布时间：2020-06-01 14:02

【摘要】：随着微机电系统的提出以及微化工技术的成长,电子设备不断趋向于微型化;而气液两相流因其良好的传热性能也广泛存在于微通道换热过程中;因此对微通道内两相流流型调控及其对传热性能影响的深入研究,使得大幅度提高微通道设备换热性能成为可能。T型微通道结构是最简化的流型调控结构,其主要分为顺流型和冲击型:顺流型T型微通道主要通过两相流界面压差促使气液两相流入分液支管,而气液两相交界处的表面张力阻止气弹的破裂,从而达到两相分离的效果,减少主通道内的含液率,促进流型的演变;而冲击型T型微通道内两相流流体由于自身流速带来的惯性冲击力作为主要作用力,促进了气液两相流在微通道内的分离运动。两相通道结构其作用机理不同、流型调控效果不同,对其深入研究是获得复杂微结构内两相流流动规律的基础。本论文针对单晶硅方形微通道内两相流流型以及顺流T型分液通道、冲击T型分液通道对主通道两相流流型调控过程,利用高速摄像监测两相流流型演变规律,快速压力监测系统监测流型转变时的压力波动,开展微通道内两相流气液界面运动研究。对照观察了顺流T型分液微通道及冲击T型分液微通道对主通道流型的调控及分液能力,基于两种通道结构内的流型演变动力学进程,获取微通道内气液界面运动与宏观调控参数两相流流速、压差、通道尺寸之间的相关性,为微通道两相流流型调控提供了理论基础。实验结果证明在本文研究的方形微通道尺度下,由于界面张力的作用两相流流型仅存在泡状流、弹状流、块状流以及环状流,而不存在分层流。针对于弹状流这一主要流型,通过调节T型分液通道外控制压力,获得不同压差下气液界面在分液口处的变形及伸缩规律。可知随着分液支管处的分液阀门内开度的增大,主通道压力下降,而分液通道处压力和主通道压力差即压差增大,通过研究与分液比之间的相关性可发现压差为T型通道内两相流流型调控的决定因素。随着压差的增大,气弹在顺流T型微通道内的伸缩长度变长,伸缩周期基本保持不变,分液比得到一定的提高,分液通道对主通道流型调控性能增强。而对于冲击型T型微通道内,由于在分液结构处主流流体存在流场的90°转向,两相流出现二次流,气相在内壁测,液相存在于外壁测。此时惯性力大的液相为主动流体,分液口压差对于液相流动状况影响显著,随压差增大,气弹在分液支管内的伸缩长度变长,伸缩周期基本保持不变,分液比得到一定的提高,这与顺流段内的分液规律一致。而通过对比两个微通道结构的分液能力可发现,冲击段的分液能力明显大于顺流段的。
【图文】：

水平管内冷凝传热模型。逡逑Ｐ．邋Ｚｈａｎｇｌ２３］模拟研宄微小通道内沸腾流动的流型演变，通道内随进程依次逡逑产生泡状流、段塞流和环状流，温度分布也随之发生改变。如图１－１所示，，由逡逑于环状流中的薄液膜蒸发机制，传热效率显著提高；其在弹状流区，其传性能逡逑较差，且随着气弹的增大、气弹与壁面之间的薄液膜区域拉长，其传热系数明逡逑显增大；但由于弹状流流型中液桥的存在其传热性能远远低于环状流，即两相逡逑流流型与传热之间具有明显的相关性。逡逑■Ｂ逦纽逡逑ｒｅｃ９ｐｅｎａｕｔｃ７ｉａＣ￡！Ｓ４Ｓ６９０９２逡逑）．函逦■邋■邋■逡逑豸逦：■逡逑°邋１２５０邋－逦１逦■逡逑｜逦．邋ｊ逦．逡逑ｉ邋ｂｕｂｂｌｙ邋ｆｌｏｗ＾邋ｓｌｕｇ邋ｆｌｏｗ邋；邋ａｎｎｕｌａｒ邋ｆｌｏｗ逡逑＾邋１０００邋－广—邋Ｔ邋Ｔ逡逑Ｏ逦？逦ｊ逦｜逡逑髟逦；逦ｊ邋■邋｜邋Ｍ邋｜邋Ｈｅａｌ邋ｔｒａｎｆｅｒ邋ｃｏｅｆｆｉｄｅｎｔｌ－逡逑｜邋７５０邋？丨■邋■邋■逡逑３逦■邋：■逡逑Ｅ邋５００逦０逦４逦８逦１２逦１６逦２０逡逑Ｌｏｃａｔｉｏｎ邋（ｍｍ）逡逑图１－１沿流动方向的局部热传递系数［２３】逡逑Ｌｅｏｎ邋Ｌｉｅｂｅｎｂｅｒｇ［２４］研究微翅片管中的冷凝流动过程时指出，对于管内冷凝逡逑传热性能的相关性预测必须基于对流型的分析，并建立的新的传热系数模型，逡逑如式（１－１）所示。提出一个新的关于传热的相关性：逡逑ａ邋＝邋＾邋０．０５邋Ｒｅ；邋Ｐｒｆ邋ＴＦ｛Ｒｘ）２邋｛Ｂｏ邋■邋ｌｎ（Ｆｒ））－０邋２６逡逑Ｄ＇逦（１－１）逡逑其中指数ｓ取决于翅片管种类

流转变为弹状流流型，传热系数明显降低；且弹状流液桥区域为传热的薄弱环逡逑节，传热热阻最大、传热性能最差；而弹状流的薄液膜Ｒ邋Ｗｗ数为波峰，为类逡逑环状流区，如图１－２所示。逡逑４０邋－Ｉ逦逡逑逦逡逑０逦０．００１逦０．００：逦，邋、邋０邋００３逦０邋００４逦０００５逡逑？ｔ（ｍ）逡逑图１－２冷凝流型转变及局部／Ｖｗ数的变化规律逡逑由此可知，两相流流型与其传热性能具有——对应关系。根据两相流型与逡逑传热的相关性，段塞流是两相流中传热性能最差的流型，如何维持高效环状流逡逑传热流型，同时结合微通道内的气液两相分离将广泛存在的低传热性能的段塞逡逑流转换成环状流，对于相变传热的强化起到至关重要的作用。逡逑１．２国内外研究现状逡逑１．２．１两相流气液分离与流型转变的研究逡逑不同气含率对应两相流流动的不同流型，伴随着气液的分离，流道内气含逡逑３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】：TK12

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本文编号：2691591