微通道内单相和相变传热机理与界面特性

论文摘要

微通道在现代科技微细化进程中扮演重要角色,对于认识微观结构的热质传递机理有着创新性的学术意义和应用价值。本文以微通道内液体单相对流和气液两相流动沸腾为研究对象,进行实验、数值模拟和理论研究。采用MEMS工艺加工不同截面尺寸的微通道实验段,结合流动、加热、可视化观察、测量和数据采集等装置构建微通道单相/相变一体化实验系统。对比液体单相对流实验建立数学物理模型在三维笛卡尔坐标系内进行微通道流固耦合数值模拟。分析了流动发展、耦合传热以及物性变化等重要效应对微通道单相对流的影响方式和作用大小。高热流密度下的物性变化引起流场与温度场耦合发展导致流动传热规律发生改变,对传热强化具有重要意义。单相变物性问题的针对性研究描述流动和热再发展的整体趋势与局部特征,总结变物性作用引起局部传热性能强化的现象,具体讨论物性变化引起传热强化作用的机理。分别分析入口速度、温度和热流密度对传热强化机理的影响,指出高热流密度条件下变物性机理具有非线性特征。对微通道内沸腾相变过程整体稳态与瞬态特征进行分阶段讨论。通道内部相变不均匀性显示出过渡性特点。受到流动分配、局部压力变化和热流耦合分布等因素影响,在过渡、旺盛沸腾和蒸气流阶段普遍出现振荡,局部竞争,以及气泡动力学多样性等现象。局部加热条件下长气泡上下游端分别出现蒸发和冷凝。气泡上下游气液界面相变行为具有多样性,蒸发或冷凝模态对振荡过程起主导作用。信号分析显示,在膜态蒸发/冷凝作用下气液界面的振荡频率,均显著高于相同条件下在核化/珠状冷凝作用下气液界面振荡的频率。同一气泡上下游界面振荡具有相同特征频率(频段)。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 微尺度单相研究
• 1.2.2 微尺度相变研究
• 1.2.3 当前焦点问题
• 1.3 研究思路
• 1.4 主要内容
• 第2章 实验设计
• 2.1 引言
• 2.2 微通道单相/相变一体化实验台
• 2.2.1 外部供液管路
• 2.2.2 实验段
• 2.2.3 测量装置
• 2.2.4 可视化观测系统
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 单相实验
• 2.3.2 相变实验
• 2.4 数据处理与不确定性分析
• 2.4.1 温度
• 2.4.2 流量
• 2.4.3 压力
• 2.4.4 加热功率
• 2.4.5 数据采集系统
• 2.4.6 图像处理
• 2.5 小结
• 第3章 单相液体流动与传热非均匀性效应
• 3.1 引言
• 3.2 问题描述
• 3.2.1 问题提出
• 3.2.2 物理对象
• 3.2.3 基本假设
• 3.2.4 数学描述
• 3.3 数值模拟
• 3.3.1 模拟区域
• 3.3.2 边界条件
• 3.3.3 数值方法
• 3.3.4 模拟验证
• 3.4 重要效应
• 3.4.1 概述
• 3.4.2 流动入口效应
• 3.4.3 局部加热耦合传热效应
• 3.4.3 物性变化
• 3.5 流动传热特性
• 3.5.1 流场基本形态
• 3.5.2 温度场基本形态
• 3.5.3 传热特性
• 3.6 小结
• 第4章 单相液体对流的变物性问题
• 4.1 引言
• 4.2 物理模型与数值方法
• 4.2.1 物理模型
• 4.2.2 物性
• 4.2.3 数值方法及验证
• 4.3 流动和热再发展
• 4.3.1 速度场特征
• 4.3.2 温度场特征
• 4.4 传热强化
• 4.4.1 Reynolds 数作用
• 4.4.2 变物性强化机理
• 4.4.3 热流密度和入口温度的影响
• 4.4.4 非线性特征
• 4.5 小结
• 第5章 微通道内沸腾相变特征
• 5.1 引言
• 5.2 沸腾过程概述
• 5.3 瞬态沸腾特征
• 5.3.1 过渡阶段
• 5.3.2 旺盛沸腾阶段
• 5.3.3 蒸气流阶段
• 5.4 气泡特性
• 5.5 小结
• 第6章 微通道内气液界面振荡现象
• 6.1 引言
• 6.2 气液界面振荡的物理图景
• 6.3 振荡特征分析
• 6.4 气泡上游蒸发界面振荡
• 6.4.1 蒸发界面振荡
• 6.4.2 核化界面振荡
• 6.4.3 核化与气泡合并型界面振荡
• 6.4.4 分析讨论
• 6.5 气泡下游冷凝界面振荡
• 6.5.1 珠状凝结界面振荡
• 6.5.2 非珠状凝结界面振荡
• 6.6 小结
• 第7章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果