微通道中液氮流动和换热特性研究

摘要

随着微型化技术的发展，微通道中的流动和换热已被引入到电子集成电路、生物医学、航天等技术领域，对其规律的研究也正成为国际传热界的热点。本文针对微型低温医疗器械、超导磁体冷却等应用中涉及的微通道内液氮的流动和换热进行研究。 ⑴在10,000-90,000的高雷诺数范围内，对内径为0.531，0.834，1.042和1.931mm微通道中液氮的单相流动和换热特性进行研究。不同于常规通道，实验微通道的粗糙度随管径的减小而逐渐增大，使得流动摩擦系数也随管径的减小而增加。利用测量的粗糙度对Colebrook关联式进行修正后，可以预测实验摩擦系数，误差范围±20％。液氮的热物理性质对微通道流动和传热有显著的影响。0.531和0.834mm微通道内的换热系数远高于常规通道。在相同雷诺数情况下，流动沸腾换热系数随管径减小而增大。经过粗糙度修正的Gnielinski关联式可以较好地预测实验换热系数。 ⑵对微通道内液氮流动沸腾特性进行了研究，主要内容包括核态沸腾起始点(ONB)、两相流压降、沸腾换热特性和临界热流密度(CHF)。微通道中液氮的ONB与常规通道不同，核态沸腾起始点时，质量流量突然降低，而压降突然增加，同时壁面温度先升高后又突然降低，出现明显的温度滞后现象。提出了一个预测沸腾起始点壁面过热度和热流密度的模型。不同于常规通道，均相模型对微通道中液氮两相流总体压降和绝热两相流摩擦乘子的预测最为准确，而分相模型偏差较大。主要原因可能是氮的液相和汽相密度比小，并且实验质量流量较高，汽液相混合均匀。系统研究了热流密度、质量流量、压力和通道直径对流动沸腾换热系数的影响。划分出两个具有不同传热机理的区域：核态沸腾控制区和对流蒸发控制区。现有关联式无法预测本文实验换热系数，因而提出了一个包含Co，Bo，We，Kp和X五个无量数的统一关联式。对于1.931mm通道，流动沸腾换热特性与常规管道类似，换热系数可以用Chen关联式预测。微通道中液氮流动沸腾的CHF和临界质量干度(CMQ)都高于常规管道，CHF随微通道管径的减小而增大。根据CMQ随质量流量降低这样的特性，推断CHF为液膜控制机理。并对环形窄缝中液氮流动沸腾进行了研究，发现其两相流压降和沸腾换热特性与圆形截面微通道类似。 ⑶微通道液氮流动沸腾实验中发现一种长周期(50-60s)、大振幅的质量流量、压降和壁温波动。在高质量流量情况下，还发现了ONB壅塞。提出了一个出口汽泡聚合的物理模型来解释ONB波动和壅塞。建立了数学模型，对微通道两相流不稳定性进行理论分析。根据理论模型，在内部特征曲线上确定沸腾起始点波动时微通道内的瞬时流动和换热状态，与实验结果吻合很好。考察了热流密度、通道直径、进口过冷度和系统压力对微通道内部特征曲线的影响，并针对微通道内部特征曲线，外部驱动方式和出口扰动三个要素，分别提出降低过冷度、采用恒定流量泵和出口汽液分离排放三种策略来提高微系统稳定性。 ⑷利用高速CCD对微通道中液氮两相流动进行可视化研究。在搅拌流和环状流中都发现了大量的雾状(Mist)或絮状(Wisps)夹带，此时汽芯中汽相和液相的速度比较接近，与均相压降模型的假设相符。绘制了流型图，结果表明环状流占了流型图的绝对部分区域，当干度大于0.15后，各种质量流量情况下对应的流型都是环状流。表面张力控制区(弹状流和搅拌流)明显变小，从而惯性力控制区的泡状流向弹状流的转变向高汽体表观速度移动，弹状流/搅拌流、搅拌流/环状流转变曲线向低汽体表观速度移动。发现三种长周期大振幅两相流波动，它们的共同点就是，压降的波动与质量流量反相，高质量流量对应低压降，低质量流量对应高压降。壁面温度和进口液体温度也出现波动，两者同相，与质量流量也同相。高速摄像仪记录的一个波动周期内流型变化表明三种波动分别为单相和两相间转变，泡状流/弹状流和搅拌流/环状流间转变，单相液体和环状流的周期性交替。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1课题的背景及意义

1.2液氮流动沸腾换热

1.3微小通道内流动沸腾换热

1.4本文的主要工作

参考文献

第二章微通道内液氮流动和传热实验系统装置

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

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

参考文献

第三章微通道中液氮单相流动和传热

3.1单相流动压降

3.2单相对流传热

3.3本章小结

参考文献

第四章微通道内流动沸腾起始点和两相流压降

4.1核态沸腾起始点

4.2两相流动压降数据处理

4.3干度和两相流压降分析

4.4本章小结

参考文献

第五章微通道中液氮的流动沸腾换热和临界热流密度

5.1流动沸腾换热

5.2临界热流密度

5.3环形窄缝中液氮流动沸腾

5.4本章小结

参考文献

第六章微通道中流动沸腾两相流不稳定性

6.1沸腾起始点波动

6.2沸腾起始点壅塞

6.3稳定和不稳定区域

6.4微通道中两相流动不稳定性机理

6.5微通道中两相流不稳定性模型

6.6本章小结

参考文献

第七章微通道内液氮两相流动可视化

7.1两相流流型

7.2液体沉降与夹带

7.3两相流流型图

7.4空泡份额和滑速比

7.5三种两相流波动

7.6本章小结

参考文献

第八章总结与展望

致谢

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