混合工质在硅微通道内的流动与换热特性

摘要

近年来，由于微细通道流动与换热出现了一些不同于常规大直径管道的新现象，使得这一课题的研究具有重要的实用价值和科学价值，因此越来越多的研究者开始关注和研究微细通道内的流动与传热特性。对于微通道热沉的设计来讲，无论采用沸腾换热还是单相强制对流换热，流动工质的选择都至关重要。国内外关于微流体换热特性的研究，绝大部分都采用纯工质作为流动工质，而关于混合工质在硅基微通道内的流动与换热特性的研究鲜有报道。本课题采用混合物乙醇水溶液作为流动工质，对硅微通道内的单相流动与换热特性以及气液两相流动的流型演变进行了可视化研究和机理探讨。本文首先以四种不同浓度的乙醇水溶液为工质，在五组不同几何尺寸的梯形硅基微通道中进行了单相对流换热的实验研究。基于实验结果，分别得出了乙醇水溶液在微通道中的流动特性以及换热特性的实验关联式。实验发现微通道的截面几何形状对流动与换热特性均有着非常显著的影响；不同浓度的乙醇水溶液在同一通道中的流动阻力特性基本没有差别，而换热特性则明显不同。在本实验参数范围内，入口效应对微流体流动与换热的影响十分显著。同时，实验研究了浓度为40%的乙醇水溶液在两种不同截面几何尺寸梯形硅基微通道内的流型演变，发现相同的混合工质在不同尺寸的微通道内的流型有明显的差别。除了观察到常见的流型外，还发现了分层流、振荡流以及气核倒流，同时在两组通道中均存在着气液两相间歇流及周期性欠热沸腾现象。实验对流型的可视化研究为进一步开展微通道内气液两相流的研究奠定了基础。

目录

中文摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 课题的相关研究

1.2.1 单相流动与换热研究

1.2.2 气液两相流动与换热研究

1.2.3 文献总结

1.3 本文研究内容及目标

第二章 实验系统和方法

2.1 实验系统

2.1.1 实验装置

2.1.2 测试段

2.1.3 测量系统

2.1.4 可视化系统

2.1.5 微通道的几何参数

2.2 实验方法

2.2.1 实验前的准备工作

2.2.2 实验步骤

2.3 数据处理

2.4 误差分析

2.5 本章小结

第三章 混合工质在硅微通道内的单相流动与换热特性

3.1 概述

3.2 实验结果与分析

3.2.1 混合工质在微通道内的流动特性

3.2.2 混合工质在微通道内的换热特性

3.3 本章小结

第四章 混合工质在硅微通道内气液两相流的流型可视化

4.1 概述

4.2 实验结果与分析

4.2.1 混合工质在不同微通道内的流型演变

4.2.2 流型可视化中的典型现象

4.3 本章小结

第五章 总结和展望

5.1 实验总结

5.2 对今后工作的展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文