硅基微通道内流动与传热的可视化测量及其规律的研究

论文摘要

各种微系统的迅速发展，为微流体的流动与传热研究提出了迫切的要求。本文主要针对微流体在硅基微通道内的单相和汽液两相流动与传热进行了系统的实验研究。 本研究采用标准的微电子机械系统加工工艺，设计并加工了2种不同结构的硅基微通道实验段。一种为常规结构的并联硅基微通道，另一种为基于“热边界层再发展概念”设计出的新型结构的并联硅基微通道。这2种不同结构的硅基微通道的水力直径均为155.3微米，且具有可比性。建立了微流体光学平台，形成了一整套的微流体实验系统。 采用水和甲醇为工质，在常规结构硅基微通道内进行了单相强制对流换热实验研究。基于实验结果，得出了摩擦常数及努塞尔数的实验关联式。 在相近的工况下，以水为工质进行了新型结构微通道与常规结构微通道之间流动与传热特性的对比实验研究。结果表明采用新型结构能在强化传热的同时降低微通道进出口压差。 以丙酮为工质，在常规结构硅基微通道内进行了沸腾传热实验研究。所有微通道中均产生微时间尺度的瞬变流动，其瞬变流型的周期为毫秒量级。1个完整的周期可以分成3个子过程。观测到了4种不同的汽液两相流流型，统计分析显示这4种流型出现的概率满足统计规律。还观察到了“微汽泡爆炸现象”。 通过绘制壁面过热度及质量流速随热流密度的变化关系，鉴别出了沸腾起始点。根据观测到的瞬变流型，鉴别出了5种沸腾传热机制。 基于无量纲的沸腾数，将沸腾传热划分成了3个不同的区域，并给出了区域间的转换准则。不同的沸腾传热区域内起主导作用的沸腾传热机制是不同的，从而揭示了控制微尺度沸腾传热的统一规律。通过选取合适的沸腾数范围，可以获得均匀的壁面温度场。 在核态沸腾传热机制控制下，沸腾传热系数及壁面温度场仅与热流密度有关。基于核态沸腾传热实验结果，提出了2个不同形式的核态沸腾传热系数实验关联式，都能对本核态沸腾传热实验结果进行较好的预测。 在强制对流沸腾传热机制控制下，沸腾传热系数主要取决于质量流速，而受热流密度的影响较小。基于强制对流沸腾传热实验结果，提出了1个新的强制对流沸腾传热系数实验关联式。该实验关联式能对本强制对流沸腾传热实验结果进行很好的预测。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 目录
• 主要符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 微流体单相流动与传热
• 1.2.2 微流体汽液两相流动与传热
• 1.2.3 小结
• 1.3 本论文的研究内容
• 第二章 实验系统
• 2.1 硅基微通道实验段
• 2.1.1 实验段结构
• 2.1.2 实验段加工工艺
• 2.2 微流体光学平台
• 2.2.1 组成及主要参数
• 2.2.2 主要功能及优点
• 2.2.3 红外热像仪的标定
• 2.2.4 可视化区域
• 2.3 微流体实验系统
• 2.4 不确定度分析
• 第三章 微尺度单相液体流动与传热特性的研究
• 3.1 常规尺度通道内发展中层流换热的理论
• 3.2 常规结构硅基微通道内流动与传热特性
• 3.2.1 实验方法与步骤
• 3.2.2 数据处理与误差分析
• 3.2.3 实验结果与讨论
• 3.3 新型结构硅基微通道内流动与传热特性
• 3.3.1 热边界层再发展概念
• 3.3.2 实验结果与讨论
• 3.4 两种结构硅基微通道内流动与传热特性的比较
• 3.4.1 主要的对比实验结果
• 3.4.2 壁面温度及局部努塞尔数
• 3.4.3 传热强化
• 3.4.4 压差减小
• 3.4.5 优化设计与应用展望
• 3.5 小结
• 第四章 微时间尺度汽液两相流流型的研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验系统与实验步骤
• 4.3 数据处理
• 4.3.1 工质的选择及其物性
• 4.3.2 热流密度
• 4.3.3 液相雷诺数
• 4.3.4 二维传热系数
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 采用空气-水两相流对光学系统的标定
• 4.4.2 在中等蒸汽出口干度下的瞬变流型及沸腾现象
• 4.4.3 在高蒸汽出口干度下的瞬变流型及沸腾现象
• 4.4.4 沸腾起始点
• 4.5 小结
• 第五章 基于瞬变流型的微尺度沸腾传热统一规律的研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验系统及数据处理
• 5.3 基于瞬变流型的传热分析
• 5.3.1 瞬变流型的描述
• 5.3.2 基于瞬变流型的传热机制
• 5.3.3 沸腾数对微尺度沸腾传热的影响
• 5.4 微尺度沸腾传热的实验测量
• 5.4.1 实验工况及转换边界
• 5.4.2 壁面温度场及传热系数的二维分布
• 5.4.3 传热系数测量
• 5.5 与其它研究的比较与讨论
• 5.6 小结
• 第六章 核态沸腾传热及壁面温度场均匀性的研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验系统与数据处理
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 不同沸腾传热机制下壁面温度分布的比较
• 6.3.2 核态沸腾传热机制下壁面温度分布
• 6.3.3 与现有的传热实验关联式的比较
• 6.4 应用展望
• 6.5 小结
• 第七章 强制对流沸腾传热的研究
• 7.1 引言
• 7.2 实验系统与数据处理
• 7.3 结果与讨论
• 7.3.1 沸腾传热系数
• 7.3.2 与常规通道的实验关联式的比较
• 7.3.3 与细通道的实验关联式的比较
• 7.3.4 新的实验关联式
• 7.4 小结
• 第八章 结论
• 致谢
• 在学期间发表的学术论文与申请的专利
• 一、论文
• 二、专利