微通道内乙醇水混合蒸气冷凝的两相流动与传热

摘要

微通道内冷凝是脉动热管、微换热器和微型燃料电池等微型系统中广泛存在的物理过程，一直得到学术界与工业界的广泛关注。微通道特征尺度小和比表面积大等特点使其传质及传热效率显著高于常规通道。在微通道内，表面张力的作用占据主导地位，而在常规通道影响较大的重力等作用力对微通道内两相流动的影响则较小，上述作用力的改变使微通道内冷凝过程强化机理与常规通道相比明显不同。乙醇水混合蒸气冷凝过程中，在亲水表面会出现液滴液膜共存的伪滴状冷凝模式，冷凝过程中液滴及液膜间由于温度及组分浓度不同会呈现不同的表面自由能，从而在亲水表面形成类似滴状冷凝的冷凝模式。乙醇水混合蒸气冷凝过程中这种特殊的冷凝模式，为微通道内冷凝过程及其强化传热调控提供了新的研究方向和强化思路。
　　本文设计加工了微通道内混合蒸气冷凝实验平台。较为系统地研究了乙醇水混合蒸气在微通道内的冷凝流动过程，对不同几何尺寸及表面结构下微通道内冷凝流型、压降及传热过程进行观测和分析，揭示了液滴与液膜间表面自由能差对微通道内冷凝流型演变、摩擦压降变化及传热过程的作用规律。本文主要研究内容及研究结果如下:
　　对梯形微通道内混合蒸气冷凝流型进行可视化研究，发现不同入口乙醇质量浓度下微通道内混合蒸气冷凝两相流动形成了环状流、条纹流、翻滚流、滴状喷射流及气泡流等多种与纯工质冷凝过程不同的流型。对比不同流型影响下的喷射流频率，绘制出了不同质量通量及入口乙醇浓度下的混合蒸气冷凝喷射流两相流型图。通过计算冷凝过程中微通道内不同位置液滴与液膜间的表面自由能差，分析了表面自由能差及混合蒸气气速与微通道内流型演变的关系，发现随着表面自由能差增加，液滴出现，并在气相作用下移动形成条纹流，条纹流与侧壁液膜融合，微通道内两相流动波动也随之增强。结合表面自由能差变化规律，提出条纹流形成的关联式;并根据不同几何结构的梯形微通道内混合蒸气冷凝喷射流变化规律，提出基于表面自由能差及通道结构的喷射流流型转换关系式，从而为流型转变提供预测判据。该部分梯形微通道内混合蒸气冷凝流型规律研究为之后的流型深化认识及调控研究奠定基础。
　　利用三角形截面结构构建了有温度梯度的冷凝壁面，以促进微通道内冷凝液自发脱离冷凝壁面，实现微通道内冷凝流型的调控。对三角形微通道内混合蒸气冷凝流型进行了可视化研究，结合流型调控，观测到了不同入口乙醇质量浓度下三角形微通道内混合蒸气冷凝气液两相的流动形态。在此基础上，对比了不同流型影响下的喷射流频率;建立了乙醇水混合蒸气冷凝三角形通道内的喷射流流型图;通过计算不同位置表面自由能差值，探究了表面自由能差对三角形微通道中两相流动流型的影响规律。除此外，还计算了三角形微通道内顶部及底部液膜内表面自由能梯度，揭示了混合蒸气微通道内冷凝液自发迁移的内在机制;结合梯形微通道内冷凝流型演变规律，分析了三角形微通道内冷凝液以条纹流及液滴形式自发脱离冷凝壁面对流型演变的调控规律及控制影响。最后，建立了三角形微通道内喷射流流型无因次关联式，为乙醇水混合蒸气在三角形微通道内两相冷凝流型转换提供判断依据。
　　对不同微通道内混合蒸气冷凝压降及传热过程进行研究。计算了不同乙醇质量浓度及不同质量通量下混合蒸气在微通道冷凝过程中的总压降及局部压降，发现随入口乙醇质量浓度增加，总压降和减速压降均逐渐减小，摩擦压降变化则并不明显。将实验中摩擦压降数据与已有压降模型的计算结果进行了对比，发现已有微通道内冷凝流动压降模型不能很好预测混合蒸气冷凝过程中摩擦压降的变化。乙醇水混合蒸气微通道内冷凝流动摩擦压降与微通道内冷凝流型及表面自由能差变化密切相关，提出乙醇水混合蒸气微通道内流型转变判据，对Kim-Mudawar通用微通道内冷凝流动摩擦压降计算模型进行修正，预测结果与实验值相比符合良好。
　　基于修正后的压降预测模型，对不同入口乙醇质量浓度，不同质量通量及不同几何形状下混合蒸气微通道内冷凝传热数据进行了分析，发现相同入口乙醇质量浓度下，随着蒸气干度的增加，传热系数都呈现逐渐增大的趋势;相近质量通量及蒸气干度下，入口乙醇质量浓度增加，三角形通道内传热系数呈现先保持不变后下降的趋势，梯形通道内则呈现先上升后下降的趋势，表面自由能差形成的液滴及条纹流特殊流动形态对传热有强化作用。对比不同几何结构的微通道，发现相同入口乙醇质量浓度下，三角形通道内传热系数都较梯形通道大。结合流型演变特征，考虑表面自由能差作用建立了新的微通道传热关联式，结果显示实验值与模型预测值符合良好。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外相关研究进展

1．2．1 蒸气冷凝过程概述

1．2．2 微通道分类定义

1．2．3 微细通道内两相流动研究

1．2．4 研究中尚存在的问题及不足

1．3 本文主要研究思路

2 微通道混合蒸气冷凝实验平台及实验数据处理方法

2．1 装置及流程

2．1．1 实验装置及流程

2．1．2 微通道加工工艺

2．2 实验数据处理及误差分析

2．2．1 物性数据计算

2．2．2 冷凝热通量计算

2．2．3 微通道内沿程蒸气干度及乙醇质量浓度计算

2．2．4 冷凝过程压降计算

2．2．5 微通道内传热系数计算

2．2．6 表面自由能差计算

2．2．7 实验误差分析

2．3 本章小结

3 梯形微通道内混合蒸气冷凝可视化实验研究

引言

3．1 乙醇水混合蒸气梯形微通道内冷凝两相流型

3．1．1 平滑环状流与环状条纹流

3．1．2 翻滚流

3．1．3 喷射流

3．1．4 泡状流

3．2 梯形微通道内喷射流频率及流型图

3．2．1 梯形微通道内喷射流喷射频率

3．2．2 梯形微通道内喷射流流型图

3．3 表面自由能差与梯形微通道内流型演变规律研究

3．3．1 梯形微通道内冷凝沿程表面自由能差分析

3．3．2 梯形微通道内冷凝表面自由能差与液滴形成关系

3．3．3 梯形微通道内冷凝表面自由能差与环状条纹流形成关系

3．3．4 梯形微通道内冷凝表面自由能差与喷射流两相流型转变关系

3．4 本章小结

4 三角形微通道内乙醇水混合蒸气冷凝可视化实验研究

引言

4．1 乙醇水混合蒸气三角形通道内冷凝两相流型

4．1．1 环状及环状条纹流

4．1．2 喷射流

4．1．3 气泡流

4．1．4 三角形微通道内冷凝条纹流自发脱离冷凝壁面现象

4．1．5 三角形微通道内冷凝液滴自发脱离冷凝壁面现象

4．2 三角形微通道内乙醇水混合蒸气冷凝喷射流频率及流型图

4．2．1 三角形微通道内喷射流喷射频率

4．2．2 三角形微通道内喷射流流型图

4．3 表面自由能差对三角形微通道内冷凝流型演变影响

4．3．1 三角形微通道内不同位置表面自由能差图

4．3．3 三角形微通道内冷凝喷射流流型预测关联式

4．4 本章小结

5 微通道内乙醇水混合蒸气冷凝两相流动压降及传热特性研究

引言

5．1 乙醇水混合蒸气微通道内冷凝总压降及局部特性规律

5．2 乙醇水混合蒸气微通道内冷凝数据与摩擦压降模型比较

5．3 条纹环状流及平滑环状流型的摩擦压降模型

5．3．1 微通道内冷凝流动压降模型与混合蒸气冷凝摩擦压降数据比较

5．3．2 乙醇水混合蒸气微通道内冷凝流动压降预测模型

5．4 微通道内乙醇水混合蒸气冷凝传热研究

5．4．1 不同入口乙醇质量浓度对微通道内混合蒸气冷凝传热影响

5．4．2 不同几何形状微通道内乙醇水混合蒸气冷凝传热系数对比

5．4．3 乙醇水混合蒸气微通道内冷凝传热实验数据与现有模型比较

5．4．4 乙醇水混合蒸气微通道内冷凝传热经验关联式

5．5 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

作者简介

致谢