竖直矩形微槽群相变换热的实验研究

摘要

作为一种新兴的微通道换热技术，毛细微槽群蒸发热沉可以利用毛细力使液体在沿微槽道流动的同时能够在三相接触线附近的扩展弯月面区域内形成具有高强度蒸发能力的薄液膜而具有较理想的换热效果，因而能用来实现极高换热系数和热流密度的换热目的。 本文旨在通过对竖直矩形毛细微槽群蒸发热沉的实验与理论研究，揭示液体在竖直矩形微槽中的润湿、流动和相变换热机理，为下一步研究开发高性能矩形微槽群相变换热器提供一定的理论基础和实验数据。 针对竖直矩形微槽群热沉单元，利用CCD显微镜对微槽内液体的润湿、蒸发与沸腾现象以及气泡动力学行为进行可视化观测，并实验研究了液位高度、微槽尺寸、表面结构以及不同工质对矩形微槽群相变换热特性的影响。实验结果表明：气泡的动力学行为对微槽内的液体润湿高度和相变换热能力有强化作用。竖直矩形微槽群中存在有两种高强度的相变换热机制。一种是较低热负荷下的单一的微槽内三相接触线附近薄液膜区域的薄液膜的高强度蒸发换热机制；另一种是高负荷下的微槽内三相接触线附近薄液膜区域中的薄液膜的高强度蒸发和厚液膜区域里液体核态沸腾的联合换热机制。微槽群的几何尺寸和表面结构对微槽内液体的润湿和相变特性有着显著的影响，在本实验范围内确定了最佳几何尺寸和表面结构。液位高度与换热效果有着密切的关系，当液位处于加热中心时是系统安全、高效运行的最佳液位。 在蒸发与沸腾两种情形下，对微槽内液体润湿特性从理论上定性与定量进行了分析，并结合实验现象分析了润湿特性与换热特性之间的影响关系。利用薄液膜区域蒸发换热理论模型，对弯月面内换热特性进行了分析，进一步揭示了微槽内液体在微槽壁面所形成蒸发薄液膜区域所进行的强化换热机制。最后，利用前人提出的核态沸腾的数学模型对单个槽道内的沸腾换热进行了数值模拟。