微细通道流动沸腾气泡受限行为特性实验研究

发布时间：2017-10-14 19:12

  本文关键词：微细通道流动沸腾气泡受限行为特性实验研究

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【摘要】：载运工具中高热流密度装置或电子元器件的热管理是影响器件安全运行的重要因素,两相微细通道热沉因具有优良的传热性能和独特的温度调节能力而被广泛应用。气泡行为对微细通道流动沸腾换热特性和流动特性具有重要影响,同时,微细尺度空间中产生的气泡在MEMS系统中具有广阔的应用前景,因此本文通过建立微细通道流动沸腾实验平台,系统和深入地研究发生于微细通道流动沸腾中的气泡行为特性,揭示区别于宏观尺度空间的独特的气泡受限行为及其发生机理。本文实验研究了在恒定热流条件下矩形截面微细通道内除气去离子水发生流动沸腾时的气泡生长行为。研究发现受限气泡和拉长气泡的形成模式均只有两种,由单一气泡持续生长至受限并拉长或由多个相邻气泡合并成为受限或拉长气泡,而且只有在特定的运行工况条件下才会出现受限／拉长气泡流。拉长气泡的生长速率远大于气泡开始拉长前的生长速率,然而在整个气泡生长并拉长过程中,运行工况始终对气泡生长具有重要影响。气泡初始形状以及相邻气泡的影响也贯穿整个气泡生长过程。气泡界面受力对气泡行为具有重要影响,本文对拉长气泡蒸发界面的受力情况进行了理论分析。微细尺度空间中重力作用可以忽略以及表面张力作用凸显已达成共识,通过将界面所受蒸发动量力与粘性剪切力的数量级与重力和表面张力数量级进行对比,发现在通常的微细通道尺度范围和工程应用的热流密度范围内,气泡蒸发界面所受到蒸发动量力的作用可以忽略,而粘性剪切力的作用则需要根据具体的通道尺度和热流密度条件进行确定。本文重点研究了单一气泡持续生长为拉长气泡的过程,发现整个气泡生长过程可分为三个阶段,分别为自由生长阶段、受限生长阶段和拉长阶段。在气泡自由生长阶段,气泡等效直径随时间的变化遵循幂律模型(Deq=ktn),与常规尺度空间中的气泡生长规律一致。而在气泡受限生长阶段,气泡生长明显偏离常规尺度通道流动沸腾中的气泡生长规律。通过研究微细通道中流体静止条件下的气泡生长过程,初步理解了气泡受限行为。气泡受限生长阶段的开始以气泡最大局部空泡份额增加速度减缓和气泡高长比突然明显下降的首次同时发生为标志。在微细通道流动沸腾中,当气泡进入受限生长阶段后,气泡顶端气液界面在向通道限制壁面推进过程中曲率逐渐减小,气泡顶端界面存在扁平化的趋势,同时气泡最大局部空泡份额与气泡高长比的变化过程不再平滑而发生不规律波动。在受限生长阶段中,气泡生长速率偏离自由生长阶段的幂律模型,等效直径随时间呈线性变化关系(Deq=kt+n)。微细通道中气泡顶端气液界面向限制壁面推进速度与其受到的壁面限制力之间存在的负反馈作用导致并维持了气泡在生长过程中出现的受限行为特征,而气泡受限行为特征将持续存在直到气泡在其高度方向完全受限并向拉长气泡转变时为止。运行工况对于气泡受限生长特征具有重要影响,主要体现为受限生长阶段占整个气泡生长过程的不同比例以及气泡受限起始所对应的不同临界最大局部空泡份额。气泡受限生长具有比自由生长更强的传热能力,因而在整个微细通道流动沸腾中,发生气泡受限及拉长的位置通常具有最高的局部换热系数。另一方面,气泡受限生长及拉长将导致微细通道内两相流动的不稳定特性,引起上游低热力学干度区气泡沿通道加热壁面发生滑移现象并脱离壁面,造成过冷沸腾区的泡状流流型。
【关键词】：微细通道 流动沸腾 受限气泡 气泡变形 换热特性 气泡滑移
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN607
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 1 引言14-30
• 1.1 背景介绍14-17
• 1.1.1 应用背景14-16
• 1.1.2 科学背景16-17
• 1.2 微细通道流动沸腾研究综述17-28
• 1.2.1 微细通道判别标准18-19
• 1.2.2 微细通道流动沸腾气泡动力学研究19-22
• 1.2.3 微细通道流动沸腾流型研究22-26
• 1.2.4 微细通道流动沸腾换热特性研究26-28
• 1.3 研究目标和主要研究内容28-30
• 1.3.1 研究目标28
• 1.3.2 主要研究内容28-30
• 2 实验系统及实验方法30-40
• 2.1 实验系统及装置30-33
• 2.1.1 恒定热流微细通道流动沸腾实验系统30
• 2.1.2 微细通道实验段30-32
• 2.1.3 实验段热平衡分析32-33
• 2.2 实验方法33-34
• 2.2.1 微细通道流动沸腾实验方法33-34
• 2.2.2 微细通道池沸腾实验方法34
• 2.3 实验数据处理34-38
• 2.3.1 气泡特征提取34-35
• 2.3.2 传热数据处理35-37
• 2.3.3 不确定度分析37-38
• 2.4 本章小结38-40
• 3 微细通道内流动沸腾气泡生长特性40-64
• 3.1 受限及拉长气泡形成40-43
• 3.1.1 受限及拉长气泡形成条件41-42
• 3.1.2 受限及拉长气泡形成模式42-43
• 3.2 微细通道流动沸腾中气泡生长及拉长过程43-52
• 3.2.1 典型的气泡生长及拉长过程43-44
• 3.2.2 运行工况对气泡生长及拉长的影响44-48
• 3.2.3 气泡核化初始形状的影响48-50
• 3.2.4 受限及拉长气泡间相互作用50-52
• 3.3 拉长气泡受力分析52-62
• 3.3.1 蒸发动量力53-55
• 3.3.2 粘性剪切力55-57
• 3.3.3 力的数量级分析57-62
• 3.4 本章小结62-64
• 4 受限气泡动力学行为特征64-94
• 4.1 微细通道池沸腾中气泡受限行为特征64-77
• 4.1.1 微细通道池沸腾典型气泡受限变形特征65-68
• 4.1.2 微细通道池沸腾中气泡受限机理68-71
• 4.1.3 热流密度对气泡受限特征的影响71-74
• 4.1.4 通道尺寸对气泡受限特征的影响74-77
• 4.2 微细通道流动沸腾中气泡受限生长特征77-92
• 4.2.1 微细通道流动沸腾典型气泡受限变形特征78-82
• 4.2.2 微细通道流动沸腾气泡受限生长速度82-86
• 4.2.3 微细通道流动沸腾气泡受限生长及变形机理86-89
• 4.2.4 运行工况对气泡受限的影响89-92
• 4.3 本章小结92-94
• 5 气泡受限及拉长对换热和流动的影响94-110
• 5.1 受限气泡及拉长气泡传热机理分析94-97
• 5.1.1 受限气泡传热机理94-96
• 5.1.2 拉长气泡传热机理96-97
• 5.2 微细通道流动沸腾换热特性97-103
• 5.2.1 不同热流密度条件下的换热特性98-100
• 5.2.2 不同质量流速条件下的换热特性100-103
• 5.3 气泡受限及拉长与气泡滑移103-108
• 5.3.1 典型气泡滑移现象103-106
• 5.3.2 气泡滑移机理106
• 5.3.3 运行工况对气泡滑移的影响106-108
• 5.4 本章小结108-110
• 6 结论与展望110-113
• 6.1 本文主要结论110-111
• 6.2 研究创新点111-112
• 6.3 作不足与展望112-113
• 参考文献113-122
• 附录122-124
• 作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果124-128
• 学位论文数据集128

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本文编号：1032682