微小通道内气液Taylor流动及冷凝环形流动的数值模拟与实验研究

发布时间：2018-11-12 16:52

【摘要】：强化传热是一个经久不衰的课题,其相关研究涉及工业应用的多方面。科技的发展与进步对强化传热的手段、方法提出了更高的要求,强化传热的研究热点也逐渐由常规通道单相流动转移到微小通道多相流动。虽然多相流应用较为广泛,但是微小通道内多相流的流动换热特性研究仍有很大的不足,其强化传热的机理认识不够。本文主要针对微小通道内的无相变Taylor流动及冷凝环形流动进行研究,采用数值模拟及实验的方法分析微小通道内两相流型对强化传热的影响,并分析其传热强化机理。微小通道内的无相变Taylor流动是一种重要的两相流型,广泛应用微反应器、微电子器件散热等领域。模拟结果表明:Taylor气泡上升速度高于两相入口速度,随毛细数(Ca)增大而增大,无量纲的液膜厚度随气泡毛细数的增大而增大。Taylor流动液柱区域的内循环会增大压力损失、提高换热系数,Taylor流动的内部流线与充分发展状态的等温线吻合.相比单相工况,Taylor流动的换热可较早达到充分发展状态。方形及矩形通道内三维Taylor气泡受到壁面的限制作用,在较低的Ca下呈现非轴对称形状,而在较高Ca下,壁面限制作用减弱,Taylor气泡呈现轴对称形状。循环区域的体积随Ca的增大而降低,无量纲循环时间随Caa的增大而增大,表明Taylor气泡的径向混合作用随Ca的增大而降低。Taylor流动换热系数的提高与压力损失的增大随内循环区域的增大及循环时间的减小而更加明显。与单相流动及Taylor流动不同,微小通道内的冷凝流动可以利用汽化潜热,其换热效果优于前者。本文采用数值模拟与实验的方法研究微小通道(光管、扁平管及内螺纹管)内的冷凝换热阻力特性,结果表明:冷凝换热系数随干度、质量流量、重力加速度的增大和管径以及饱和温度的减小而提高;摩擦压力梯度随干度、质量流量的减小而降低,随管径及饱和温度的减小而增高;液膜厚度随饱和温度的增大而逐渐增大,随着质量流量、干度的增大以及管径、重力加速度的降低而降低,换热系数的分布情况与液膜厚度基本相反。液膜雷诺数(Re)较低时,液膜区域湍流度较小,湍流粘度对液膜区域的等效导热系数的影响较小,换热系数主要由液膜厚度决定;随液膜Re的增大,液膜区域湍流强度对换热系数的影响要高于液膜厚度的作用。冷凝流动相变传质仅存在于相界面附近,通道内的汽相介质会向此部分区域流动,在重力的作用下形成一纵向涡,当重力作用减弱时,纵向涡逐渐减小至消失。在相同的换热面积下,扁平管的换热系数及摩擦压力梯度高于圆管,且随通道纵横比的增大而增大,强化作用在高干度及高质量流量下更为显著。扁平通道内液膜倾向于集聚在通道的圆弧角落区域而非通道的底部,通道的顶部与底部液膜较薄,角落区域较厚。当重力作用对两相流动的影响显著时,扁平管的换热强化效果较低,当表面张力及惯性力作用明显时,扁平通道具有较好的换热强化作用。螺旋倾角引起的旋流,促使通道底部液膜沿螺旋槽道流动至通道顶部,冷凝过程中汽液界面基本为轴对称形状。由于螺旋内肋的扰流作用,流线呈螺旋状,螺旋内肋的扰流作用主导冷凝流态,重力作用被抑制,截面流线呈螺旋状。内螺纹管对应的换热面积提高、环形流区域增大、高干度下液膜较薄以及翅片的绕流作用均会提高其换热系数,同时翅片的扰流会进一步加大压力损失。
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【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TK124

【参考文献】