分叉结构微通道中气液两相流的实验研究

摘要

微通道中的气液两相流广泛应用于微机电系统、电子器件冷却、生物医学工程等领域，如微电子芯片的流动沸腾冷却、微气泡超声造影剂制备等。在微通道中，由于尺度效应，气液两相流有着独特的运行规律与机制。因此，探究微通道中的气液两相流机理已成为工程热物理领域研究的热点问题。
　　我们知道，分叉结构是微通道气液两相流分配和收集的关键组成部分。在分叉处，气液两相流与传热过程涉及气泡生成、变形、破裂和聚并等动力学行为、静态和动态流动不稳定，并且经历两相流动、界面演化、传热传质等复杂耦合过程。因此，开展微小分叉结构中气液两相流机理研究具有重要的现实意义。目前微通道中的气液两相流研究还主要集中在直通道，而对分叉结构微通道中的气液两相流的研究比较缺乏，特别是分叉结构对微通道中的气液两相流流型演化的影响机理还缺乏深入研究。为此，本文设计搭建了微尺度流动与传热的实验平台，对分叉结构微通道中的气液两相流动和流动沸腾相变传热进行了可视化研究，重点分析了T形微通道中流动沸腾和气泡破裂特性、分形树状微通道中气液两相流行为。概括而言，本文的主要研究内容和研究结论如下:
　　设计并搭建了T形微通道中流动沸腾的可视化实验平台，研究T形微通道分叉结构处出现的流动沸腾流型并绘制流型图，并重点分析加热温度、质量流量密度和微通道尺寸对流型及温度不稳定性的影响。研究结果表明:在T形微通道分叉处的流动沸腾流型主要有挤压断裂流、泡状流、塞状．环状交替流和环状流。在分叉结构流动沸腾中，汽化核心首先出现在分支通道中，随着加热温度的升高，汽化核心会逐渐向主通道中延伸。进口质量流量密度和微通道尺寸的减小都会导致分叉处的泡状流的消失。同时，进口质量流量密度和微通道尺寸的增加都会导致分叉处环状流出现的推迟。加热温度和进口质量流量密度会对流动不稳定性产生重要影响。在一定进口质量流量密度条件下，随着加热温度的升高，出口温度的波动幅度逐渐减小。在一定过热度条件下，随着进口质量流量密度的升高，出口温度的波动幅度逐渐增加。
　　设计并搭建单分叉结构微通道中气-水两相流实验台，利用错流T形微通道生成气泡，并在T形微通道中可视化研究气泡流动破裂行为。实验研究结果表明:错流T形微通道中生成气泡的大小主要受毛细数和分散相流量大小的控制。错流T形微通道中生成气泡的当量尺寸随着毛细数的增大而减小，随着分散相流量的增大而增大。气泡在T形微通道分叉处中主要有5种流动破裂方式:气泡无间隙对称破裂，气泡半无间隙对称破裂，气泡悬空对称破裂，气泡不对称破裂和气泡不破裂。气泡不对称破裂和不破裂现象主要出现在低分散相气体流量中，此时气泡的初始长度也比较小，而气泡的对称破裂现象主要出现在分散相气体流量较大时。在气泡无间隙对称破裂的夹断阶段，气泡颈缩段的长度和时间呈线性关系。
　　在研究单分叉结构微通道气液两相流的基础上，本论文还开展了多分叉结构微通道中气-水两相流可视化实验研究，主要研究气泡在分形树状微通道中的运动速度和路径，并分析影响气泡分裂均匀性和对称性的因素。研究结果表明:气泡在分形树状微通道中的整体运动速度会随着通道级数的增加而减小。分叉的存在又会造成气泡在分叉处运动速度的局部上升。气泡的初始长度会影响气泡在分形树状微通道中流动分裂的对称性和同步性，气泡长度越长越有利于气泡流动分裂的对称性和同步性。此外，高流速下气泡也会表现出更好的流动分裂对称性和同步性。
　　本文较为系统地研究了分叉结构微通道中流动沸腾和气．水两相流动的流型演化规律及其影响因素。相关研究成果可为认识微小结构中气液两相流机理提供参考。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 微通道中的气液两相流动的研究现状

1．2．1 通道尺寸的划分

1．2．2 微通道中的气液两相流的流型研究

1．2．3 微通道中的气液两相流的不稳定性研究

1．2．4 分叉结构微通道中的气液两相流研究

1．3 本论文的研究内容

1．4 本章小结

第二章 T形微通道中流动沸腾气液两相流的实验研究

2．1 引言

2．2 实验系统及实验方法

2．2．1 液体流量控制与输出装置

2．2．2 实验段

2．2．3 加热装置

2．2．4 高速显微成像系统

2．2．5 数据采集系统

2．2．6 实验方法及步骤

2．2．7 误差分析

2．3 实验结果及讨论

2．3．1 T形微通道流动沸腾的汽泡行为

2．3．2 T形微通道分叉处流动沸腾流型及其演变

2．3．3 影响T形微通道分叉处流动沸腾流型的因素

2．3．4 T形微通道中流动沸腾的出口温度不稳定性

2．4 本章小结

第三章 T形微通道中气液两相流的实验研究

3．1 引言

3．2 实验系统及方法

3．2．1 实验系统的设计和搭建

3．2．2 微通道的设计

3．2．3 实验原理和步骤

3．3 实验结果及讨论

3．3．1 气泡在错流T形微通道中的生成

3．3．2 气泡在T形微通道中的流动破裂

3．4 本章小结

第四章 分形树状微通道中气液两相流的实验研究

4．1 引言

4．2 实验系统及方法

4．2．1 实验系统的设计和搭建

4．2．2 微通道的构形

4．2．3 微通道的制作工艺

4．3 实验结果及讨论

4．3．1 气泡运动的测量方法

4．3．2 气泡在分形树状微通道中的运动

4．3．3 气泡长度对分形树状微通道中气泡分裂的影响

4．3．4 流速对分形树状微通道中气泡分裂的影响

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 主要创新点

5．3 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的主要学术成果