微细通道内液氮流动沸腾热物理特性与机理的可视化研究

摘要

微细通道内的相变换热由于结构紧凑，换热效率较高，在电子、航天、生物医学等现代高新技术领域有广泛的应用，对其规律的研究也成为国际传热界的热点。本文针对微型医疗器械，超导磁体冷却等应用中涉及的微细通道内液氮的流动沸腾，采用高速摄像从微观层面上对其热物理特性与机理进行了深入的研究，并对相变过程中气泡动力学特征以及对应换热特性进行了数值模拟。主要结论如下：
　　开展了实验难度较大的低温流动与传热的可视化研究工作,解决了低温条件可视化实验中布光和放大倍率的难题，获得了高质量的流型图片。微细通道内液氮流动沸腾的主要流型为：泡状流，弹状流，搅拌流和环状流；并且在1.042 mm和0.531 mm管内发现了受限气泡流。绘制了流型图，结果表明表面张力是影响流型转变的重要物性参数。相对于空气-水的流型图，弹状流区域很小，对应的弹状流/搅拌流，搅拌流/环状流流型转变线向较低的气体表观速度方向移动；而泡状流/弹状流的转变线向较高的气体表观速度方向移动。
　　为了深入研究微细通道内液氮流动沸腾的机理，在微细玻璃管外表面电镀一层透明的加热膜（氧化锡铟）用来研究气泡核化，脱离等气泡动力学特征和流型转变过程。微细玻璃管的内径为1.3-1.5 mm。测量了气泡脱离直径以及气泡周期，满足关系式(Dd)1.46·(1/τ) constant，说明微细通道内的气泡脱离特征更类似于常规通道。微细通道内气泡脱离后流型的转变则受到明显的微尺度效应的影响，气泡生长受限，流型转变加快，换热系数增大。研究了微细通道内不同流型的换热系数，包括泡状流，弹状流，环状流以及倒流和干涸。结果表明微细通道内流动沸腾的主导机理是液膜蒸发。发生干涸时，换热恶化，而倒流能在一定程度上增强上游的换热系数。研究了干涸之后的流型发展过程，观测到了反泡状流，反弹状流以及反环状流等流型。发现并详细描述了微细通道内的液滴夹带现象，不同于常规通道，这种液滴夹带较多的发生于弹状流中。
　　一般的可视化实验得到的结果只能反映二维平面上的信息，而带来三维空间上诸多重要信息的缺失。而常规尺度的三维可视化方法由于工作距离上的限制，很难应用于微尺度的三维可视化实验中。本文创造性地提出一种简洁有效的适应于微尺度成像的三维可视化光路，成功实现了微细通道内两相流动的三维可视化。该方法在实验段周围特定的位置设置一片等腰直角棱镜和一面平面镜，由此实现了一个相机同时获取两相流的正面像和侧面像。在此基础上实现了三维重建。同时对由于折射以及棱镜色散而带来的图像变形进行了定量分析，并提出了矫正方法。尽管该方法的验证实验针对可视化难度大的低温流体进行，但是同样适用于微细通道内常温流体的可视化研究。
　　在实验研究基础上，本文对微细通道内气泡动力学特征以及对应的换热特征进行了数值研究。采用Volume-of-Fluid（VOF）模拟，将计算区域划分为主流区域和微液膜区域，采取不同的质量和能量源项来模拟相变过程。采用了一种简单的微液膜模型，实现了微液膜层内的传热传质过程。成功模拟了微细通道内气泡的核化生长过程。同时系统研究了流量等参数、物性、几何特征等因素对气泡生长以及对应的换热特性的影响。发现在较高流速下，气泡生长表现出线性规律；而流速较低时，生长曲线表现抛物形的特点。分析了热流密度对气泡生长的影响，在微细通道内气泡生长的主导机理为热控制机理。热物性如表面张力、接触角以及液气密度比对气泡生长以及流型转变有显著影响。对于小表面张力和接触角的流体，核态沸腾时气泡较容易脱离加热表面。当液气密度比增大时，气泡生长速率较快。气泡生长受到壁面限制时，换热系数增强。模拟分析了受限气泡的产生发展过程，结果表明受限气泡的换热影响区域约为受限气泡大小的两倍；受限气泡能够显著增强影响区域内的换热系数。
　　系统研究了以不锈钢为基材的微通道热沉内液氮流动沸腾的流型特征和换热特性。通过高速摄像，获取的主要流型为泡状流，弹状流和环状流，发现不稳定倒流现象严重。在流量为50.1-880.5 kg/m2s范围内，最大换热能力达到21.35 W/cm2，增加热沉通道深度能够显著增加换热能力。测量了各个微细通道间的流量分配。发现单相条件下，各通道间的流量分配基本一致，两相流条件下，各通道间的差别较大，而且随着流速的增加，不均匀性增强。在本文的实验范围内，各通道间最大的流量差别约为18％。研究了各个通道在不同流型条件下的压降特性。发现在单相流动条件下，各通道的压降曲线基本重合在一起，进入两相状态后，在波动相位和幅度上，各通道逐渐出现偏移，甚至反相。

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符 号 说 明

第一章 绪论

1.1 课题的背景及意义

1.2 常规通道的流型及气泡动力学特征

1.2微细通道的流型及气泡动力学特征

1.3 液氮流动沸腾的换热及可视化研究

1.4 本文的主要工作

第二章 微细通道内液氮流动沸腾的可视化实验系统装置

2.1 实验装置

2.2 实验段

2.3 测量元件、方法和数据采集

2.4 实验方法和难点

2.5 实验数据处理

2.6 实验系统不确定度分析

2.7 本章小结

第三章 微细通道液氮流动沸腾的流型特性

3.1 主要流型参数的计算

3.2 两相流主要流型

3.3基于流型的换热系数

3.4 流型图

3.5 本章小节

第四章 微细通道内液氮流动沸腾的气泡动力学特性

4.1 微细通道内单个气化核心的气泡动力学特征

4.2 流型及对应的换热特性

4.3 多气化核心特征

4.4 本章小结

第五章 微细通道内两相流的三维可视化方法

5.1 三维可视化系统

5.2 折射引起的图像变形

5.3 三维重建方法

5.4 本章小结

第六章 微细通道内流动沸腾的气泡动力学数值模拟

6.1 数值方法

6.2 结果与讨论

6.3 微细通道内气泡生长的可能影响因素

6.4 本章小结

第七章 微通道热沉内液氮流动沸腾的流型特征和换热特性

7.1 流型特征

7.2 热沉表面的温度分布

7.3 流量分配不均匀性

7.4 表面换热系数

7.5 倒流现象

7.6 微细通道间的压力波动特性

7.7 本章小结

第八章 总结与展望

附录 A

附录 B

附录 C

附录 D

参考文献

致谢

攻读博士学位期间已发表或录用的论文

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上海交通大学博士学位论文答辩决议书