微细通道内流动沸腾的实验和理论研究

论文摘要

微尺度下的流动沸腾传热与传质是一个复杂的问题,有着广泛的应用前景。虽然很多研究者作了不少的工作,发表了较多的文章,但是对机理的认识仍然很不充分,实验结果也相差很大,甚至相反。但由于其在微机电系统、高能流密度微电子、航空航天、激光技术及新材料的加工及制造上有巨大的应用前景,各国的众多研究者对微尺度流动沸腾的研究给予了高度的重视。本文以揭示微槽道内流动沸腾的机理为目的,以流动沸腾的流型、压降及换热特性为着手点,对微通道内流动沸腾进行了实验研究及理论分析。 本文首先利用38000帧/秒的高速摄影仪和宽视场体视显微镜相结合的可视化观察与测量技术对水平布置的石英玻璃微管及矩形微槽内水的流动沸腾的气泡产生、生长及合并等流型的变化进行了可视化实验研究。实验结果表明:在内径为520μm和315μm石英玻璃微管内,其流动沸腾的流型以单相液流、泡状流、塞状流和环状流的周期变化为主。而在内径为242μm微管内,无论是在过冷沸腾和饱和沸腾情况下,都只发现了单相液流和环状流流型,而没有看见任何气泡的行为。在微通道内水的过冷流动沸腾中,进出口压降变化与出口温度基本上是一一对应并且反相的,其过程从宏观上讲是由饱和蒸汽和过冷水的交替通过组成的。这与常规尺度下流动沸腾的情况是完全不同的。在矩形微槽内流动沸腾过程中,其流型变化无论是过冷沸腾还是饱和沸腾都与石英玻璃微管内的流型变化基本一致。 其次,在了解微通道内流动沸腾的流型变化特点的基础上,为了充分的了解微管及矩形微槽内流动沸腾的压降特性和换热特性,我们以蒸馏水为工质,采用直接电加热的方式,利用红外热成像仪和高精度热电偶、精密压力传感器对微通道的外壁面温度和进出口压降进行了精确的测量。实验的结果表明:利用红外热成像仪的显示特点,可以对不透明的微管内过冷沸腾状态下流型的变化情况进行预测。在饱和流动沸腾时,两相摩擦压降随热流密度的增加而增大。而两相摩擦压降因子φ2FL随L-M参数X的增加而单相减小,与质量流速的变化也有一定的关系。在实验条件相同的情况下,微圆管与矩形微槽内流动沸腾的压降结果几乎是一致的。通过实验数据与其他研究者的实验预测式的比较,

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 国内外研究发展现状
• 1.2.1 微通道内两相流动可视化研究成果
• 1.2.2 微尺度流动沸腾压降研究概况
• 1.2.3 微尺度流动沸腾换热研究概述
• 1.3 本研究课题的目的和主要内容
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 主要内容
• 第2章 微通道内流动沸腾的可视化实验研究
• 2.1 水平布置石英玻璃毛细微管内水流动沸腾可视化研究
• 2.1.1 实验装置及实验方法
• 2.1.2 实验结果及分析
• 2.2 水平布置矩形微槽内水流动沸腾的流型可视化研究
• 2.2.1 实验装置及实验方法
• 2.2.2 实验结果及分析
• 2.3 本章小结
• 第3章 不锈钢微管内水流动沸腾的压降与换热特性研究
• 3.1 过冷沸腾时的压降特性及壁面温度的红外测量
• 3.1.1 实验装置及方法
• 3.1.2 红外成像仪测量结果分析
• 3.2 饱和沸腾时的压降及换热特性实验研究
• 3.2.1 实验段组成及实验过程
• 3.2.2 压降特性实验结果及分析
• 3.2.3 换热特性实验结果及分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 不锈钢矩形微槽内水流动沸腾的压降与换热特性研究
• 4.1 饱和沸腾时的压降及换热特性实验研究结果
• 4.1.1 压降特性实验结果
• 4.1.2 换热特性实验结果
• 4.2 截面尺寸不同对矩形微槽换热特性的影响
• 4.3 本章小结
• 第5章 微管内水流动沸腾换热特性的理论研究
• 5.1 微管内流动沸腾的间歇饱和水和环状流混合理论模型
• 5.1.1 理论模型简图及假设
• 5.1.2 理论模型的构造
• 5.1.3 计算过程
• 5.2 理论计算结果及其与实验结果的比较
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 本文的研究结论
• 6.2 本文的创新点
• 6.3 对未来工作的展望
• 主要符号表
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文目录
• 致谢