细小尺度下潜热型功能液固两相流流动与传热特性研究

摘要

随着电子技术的迅速发展,微型化、高集成度、大功率电子器件得到了越来越多的应用。其热可靠性指标也越来越苛刻,这就对换热器件的换热能力、泵功消耗、温度均匀性以及结构的紧凑性提出了更高的要求。为此,本文深入研究了微细尺度下单相液体和潜热型功能液固两相流体流动和传热机理,以为高效微型传热装置的研制提供理论基础。
　　 实验研究了2.0mm管径细小圆管内的单相液体流动传热特性。层流流动时,对流传热系数和Nu数基本保持不变,与常规尺度下的经典值基本一致；临界区内,对流传热系数和Nu数急剧增加,并且很快进入湍流流动,在湍流区内Nu数要比迪图斯-贝尔特(Dittus-Boelter)关联式、格尼林斯基(Gnielinski)关联式的预测值小,根据实验结果,基于已定准则的幂函数形式给出了描述细小圆管内单相液体湍流换热Nu数的定量关系式。
　　 实验研究了潜热型功能液固两相流体在2.0mm管径细小圆管内的流动与传热特性。与单相液体相比,相变微胶囊颗粒的加入会使得流动压降增大,但随着流量的增加,两者的差异逐步缩小;由于相变材料吸收熔化潜热,使得实验段出口温度以及壁面温度低于相同条件下的单相液体;不同于单相液体,在整个实验工况下潜热型功能液固两相流体的Nu数并未呈现分区现象；实验结果证明了相变微胶囊颗粒的加入可以有效强化传热,尤其当流动状态为层流时,潜热型功能液固两相流体的Nu数可达单相液体的2-4倍。
　　 基于Eulerian-Eulerian双流体模型,对细小圆形通道内潜热型功能液固两相流的传热特性和熔化特性开展了数值模拟研究。分析了Re数、颗粒浓度以及壁面热流密度对传热及熔化特性的影响。研究发现,通道内潜热型功能液固两相流体可分为三个区域,即非熔化区域、熔化区域和完全熔化区域。在非熔化区域内,两相温度均低于相变材料的熔化温度,微胶囊颗粒与周围流体之间发生显热交换;当温度达到相变材料的相变温度时,相变微胶囊颗粒内相变材料开始熔化,此时显热交换与潜热交换共存；当温度进一步升高,微胶囊内相变材料完全熔化,相变终止,两相温度继续升高,又转变成显热交换。输运流体相在通道入口处即形成热边界层,而固体颗粒相在进入通道一段距离后才形成热边界层；熔化区域沿流动方向逐渐向通道中心处延伸。
　　 Re数、微胶囊颗粒浓度及壁面热流密度对通道内相变材料的熔化特性存在较大影响。随着Re数的增大,近壁处和中心处的熔化起始点和终止点均朝出口处移动,相变区间得到了扩展。随着浓度的增大,近壁处的熔化区域起始点和终止点基本保持不变,而中心处熔化区域的起始点和终止点则逐渐朝出口方向移动,且熔化区间逐渐变长；随着壁面热流密度的增大,相变材料熔化起始点和终止点皆趋于入口方向移动,对应的熔化区间也逐渐缩短。随着Re数和颗粒浓度的增加,壁面温度分布的均匀性得到提高。不同于稳定的单相液体充分发展对流换热系数,当相变材料开始熔化时,潜热型功能液固两相流体的局部对流换热系数呈缓慢增加趋势,当相变结束进入完全熔化区域后又再次降低,直至趋于稳定。
　　 运用Eularian-Lagrangian方法建立了潜热型功能液固两相流体中单个相变微胶囊颗粒在湍流场中的运动与传热模型并进行了数值计算。重点讨论了相变微胶囊颗粒粒径、密度、入口位置等参数对颗粒运动与熔化特性的影响。获得了相变微胶囊颗粒在湍流场中的轴向速度分布、径向脉动速度、运动轨迹以及熔化特性。数值模拟结果表明,由于受到流体的作用,相变微胶囊颗粒产生了径向脉动速度,但要小于主流脉动速度,在入口端变化比较剧烈,然后逐渐趋缓；当颗粒直径较小且密度与流体密度接近时,可呈现有较好的流体跟随性；圆管中心处的颗粒温度较低,相变区间较长且更接近管路出口,近壁面处的颗粒温度则较高,相变区间相应较短；增大颗粒直径或密度,可以扩展相变区间,提高功能热流体的传热能力和蓄热能力,但也退后了相变区间的产生。