微通道内流体流动和换热特性的实验研究

摘要

近几年来，微尺度条件下的传热和传质问题受到了世界各地研究者的青睐，并在很多领域得到了广泛的应用，但有关微尺度下的流动和换热机理的认识仍然极不充分，实验结果相差很大，甚至相互矛盾。本文就是在这种背景下展开的，以揭示微通道内流动和换热机理为目的，对矩形和圆形微通道内的流动和换热特性进行了实验研究和理论分析。 首先，以蒸馏水为工质，对水力直径为107.67μm-265.49μm、长宽比为0.2-0.9、内壁面相对粗糙度为2-6％、Re数范围在50-1400内的10根紫铜单矩形微通道内部的流动特性进行了研究。实验着重分析了矩形微通道内流动的异常情况及壁面粗糙度对流动的影响，并证明矩形微通道内流体的流动特征不仅与水力直径有关，且与矩形的长宽比也有着紧密的联系。 其次，采用蒸馏水、四氯化碳和氮气作为实验工质，对内径分别为19.60μm、44.63μm、91.65μm和140.86μm的四种规格的石英玻璃微管内流体的流动特性作了细致的研究分析。 实验发现与常规尺度下的流动相比，工质为液体时，以上规格的微管内都出现了层流向湍流过渡的提前，导致实验f值在较大Re数处偏离经典理论值。同时发现除了直径为19.60μm的微管外，工质极性对微管内的流动特性不产生影响；当工质为气体时，在相同Re数下，管内径越小，微管内的f值越小；考虑实验误差的前提下，可近似认为三种尺寸较大的管内部的f值在小Re数下与经典理论的预测值相等。 最后，以去离子水为工质，对内径分别为44.63μm、91.65μm 、140.86μm、241.98μm、314.97μm 及520.05μm的六种规格的石英玻璃微管内的对流换热特性进行了实验研究。实验中采用电加热紧密缠绕于微管外表面的细铜丝的加热方法，实现了对微管的定热流加热。实验结果表明：随着微管直径的减小，由层流向湍流过渡时的Re数越来越小，当Re数较大时，换热强度也随着内径的减小而增强。同时随着直径的减小及Re数的增大，粘性耗散效应对换热的影响作用也相应增强。