高热流作用下微通道内的周期性射流特性

在低质量流速和高热流密度下,对深度为30μm的微通道内的流动沸腾进行了实验研究,发现了毫秒级周期性喷射流型、液膜的波动及液丝的断裂现象.分析表明,喷射周期的长短与沸腾数(Bo)有关,界面非平衡蒸发导致液丝失稳及液膜波动;微通道宽度方向上的Marangoni效应引起液膜和液丝的收缩、波动及断裂.     

沿水平表面受迫对流时的层流膜沸腾

本文对流体沿水平表面受迫对流时的层流膜沸腾进行了分析,探讨了压力沿流动方向的变化、主要是两相边界层由于密度差所引起的压力梯度的影响,建立了相应的数学模型.对远离临界态、Pr将近Ⅰ的低粘性流体求得传热的近似解.分析表明:在边界层层流范围内,考虑气、液两相密度差所引起的压力沿流动方向的变化,将使预示的传热强度显著加大而更接近于实际值。     

工质对微通道沸腾液膜瞬态变化的影响

本文采用去离子水和无水乙醇两种工质,利用微通道流动沸腾同步测量实验系统,研究了液膜厚度的瞬态变化规律,实验发现流动沸腾形成的初始液膜厚度在毛细数Ca很宽的范围内都遵循Taylor流动原理;液膜形成后,在蒸发和蒸汽流动携带的耦合作用下,厚度迅速减薄直至蒸干;由于水的汽液黏度比小,速度梯度小,剪切作用带来的液膜厚度减少量小,且水的汽化潜热大,吸收相同热量时蒸发量小,导致水的液膜厚度变化斜率较小,通过理论分析提出了沸腾液膜厚度变化的计算模型,计算结果与实验结果的误差小于20%。     

开式并联微通道中流动沸腾换热的实验研究

针对常规闭式并联微通道内流动沸腾换热存在气泡生长受限产生的堵塞效应以及不同通道内气泡核化生长不同步导致的并联通道传热不稳定性等问题,设计了一种顶部联通型开式并联微通道蒸发器。采用无水乙醇为工质,在入口过冷度为15℃、质量流速为175 kg·m~(-2)·s~(-1)及热流密度270～761 kW·m~(-2)条件下,开展了该新型微通道冷却器中流动沸腾换热的实验研究,发现了传热系数随干度的增加呈现三类典型趋势,即传热系数单调上升、传热系数先上升后下降再上升、传热系数先上升再保持基本不变;结合高速可视化流型研究,发现了与流型密切关联的三类传热机理,即:1)以气泡核化为主的核态沸腾换热;2)上游核态沸腾为主,下游两相强制对流换热主导;3)偏离核态沸腾后的膜态沸腾换热。分析表明,沸腾数Bo是主导三类传热模式的主要无量纲数。     

三角形微通道流动冷凝的实验研究

实验研究了三角形硅微通道中的流动冷凝.通道中的冷凝流型沿程主要有珠状流、环状流、喷射流和弹状-泡状流等.在同一通道中,喷射流位置随着工质流量的增大而延后;在相同蒸气入口雷诺数下,喷射流位置则随着通道尺度的增大而延后.喷射流频率随着蒸气入口雷诺数和冷凝液韦伯数的增大而增大.较小水力直径的三角形通道中的流动冷凝不稳定性较高.冷凝通道的壁面温度呈沿程下降趋势.在同一通道中,流动冷凝的平均冷凝传热系数和平均努塞尔数,皆随着蒸气入口雷诺数的增大而增大,通道尺度的减小显著强化冷凝传热.     

微液膜动力学特性与稳定性实验研究

气-液两相流设备的性能受限于临界热流密度,开展流动微液膜动力学特性及其稳定性的相关研究是深入理解沸腾危机及临界热流密度机理的关键。采用光学玻璃制成的矩形通道作为实验段,使用微流量齿轮泵驱动去离子水,使其在实验通道入口处与在其上部流动的压缩空气接触形成同向流动的分层流。利用共轭光学探测器对流动微液膜的厚度进行了测量,利用高速摄像机对气-液两相分层流波动特性进行了可视化观测。研究表明,在绝热情况下,当液速一定时,液膜的平均厚度随着气速增加而减小,当气速增加到某一阈值时会导致液膜破裂。     

非平整基底上受热液膜流动稳定性研究

本文研究了二维黏性流体薄膜沿非平整不均匀加热基底流动时非线性表面波的演化及其流动稳定性.利用长波摄动法推导出非平整线性加热基底上非线性表面波的零阶和一阶演化方程,基于所得演化方程,绘制出正弦波纹基底上液膜的表面波形图,并研究液膜流动的线性稳定性,分析了各无量纲参数对液膜线性稳定性的影响.分析结果表明:在正弦波纹基底上,液膜自由表面随同壁面作相同频率的正弦型波动,且液膜厚度沿流动方向逐渐变小;Marangoni数为稳定影响因素,随Marangoni数的增大,液膜稳定区域增大;Peclet数和倾角θ均为不稳定影响因素,随Peclet数和倾角θ的增大,液膜稳定区域减小;在非平整基底的波峰和波谷处,Peclet数、Marangoni数和倾角θ对稳定性的影响趋势一致,但基底波谷处的液膜稳定区域小于波峰处区域,流动更易失稳.     

水平细长通道中的流动沸腾实验研究

本文主要研究了去离子水在截面为矩形(1 mm×2 mm)的水平长直细通道中的流动沸腾,实验中采用了可视化手段观察通道中的各种流型的演变。实验采用均匀加热和模拟逆流加热两种手段对通道进行加热,并对不同工况下两者的沿程局部换热系数进行了分析对比分析.两者的局部换热系数都逐渐增加,模拟逆流加热条件下的换热系数曲线增势较陡,干涸流的出现会导致换热系数降低.同时,实验中观察到了6种流型,并对流型的分布做了介绍。     

微通道内不混溶气液两相二氧化碳界面动力学行为的格子Boltzmann研究

将高精度的二氧化碳状态方程与气液两相流格子Boltzmann方法中的伪势模型耦合,研究微通道内二氧化碳气液两相流动的界面动力学行为,包括二氧化碳气泡和液滴的分裂、合并、变形,以及气液两相二氧化碳在演化过程中的质量交换.研究发现：当分裂和合并行为达到平衡,并且两相之间不发生质量交换时流动达到稳态.稳态时的流型主要依赖于表面张力,惯性力,管道的润湿性,以及初始体积分数.当表面张力较大时,微通道内形成的二氧化碳气泡或液滴会收缩成圆形,此时二氧化碳气泡或液滴会堵塞微通道,形成段塞流;随着表面张力的减小,形成的气泡或液滴不容易收缩,在微通道内更容易发生变形,出现泡状流或环状流.当壁面润湿性为强疏水性时,二氧化碳在微通道中的流动为环状流,其它润湿性下,流型为段塞流.体积分数较小时,二氧化碳两相流动的流型为段塞流,体积分数较大时,流型为环状流.     

周期性分流微通道的结构设计及散热性能

微通道散热器在集成电路中具有重要应用,但目前传统的长直微通道散热过程导致温度不均匀,散热效率较低.本文设计了一种周期性分流微结构并与传统微通道进行集成,实现了一种高效率的周期性分流微通道散热器.基于以上周期性分流微通道,系统研究了单根微通道内微结构数目、微结构的排布方式及结构参数对其散热性能的影响.结果表明,引入的分流微结构可增大换热面积、打破原有层流边界层、促进冷/热冷却液混合、显著改善微通道散热性能.在100 W/cm2的热流密度下,入口端冷却液流速为1.18 m/s时,单根微通道内引入9组微结构后,其最高温度下降约24 K,热阻下降约44%,努塞尔数增大约124%,整体传热性能(PEC)达1.465.进一步地,微结构采用交错渐变的周期排布方式,沿流动方向逐渐变宽的扰流元使得冷却液被充分利用,减少了高/低温区的存在且缓解了散热面沿流动方向存在的温度梯度,压降损失相较于均匀排布也有一定程度的降低,有效提升了散热效率.本文提出的周期性分流微通道将在大功率集成电路及电子冷却领域中具有广阔的应用前景.     

Experimental Investigation of Heat Transfer in Two-phase Flow Boiling

In this article, an experimental investigation is performed to measure the boiling heat transfer coefficient of water flow in a microchannel with a hydraulic diameter of 500 μm. Experimental tests are conducted with heat fluxes ranging from 100 to 400 kW/m², vapor quality from 0 to 0.2, and mass fluxes of 200, 400, and 600 kg/m²s. Also, this study has modified the liquid Froude number to present a flow pattern transition toward an annular flow. Experimental results show that the flow boiling heat transfer coefficient is not dependent on mass flux and vapor quality but on heat flux to a certain degree. The measured heat transfer coefficient is compared with a few available correlations proposed for macroscales, and it is found that previous correlations have overestimated the flow boiling heat transfer coefficient for the test conditions considered in this work. This article proposes a new correlation model regarding the boiling heat transfer coefficient in mini- and microchannels using boiling number, Reynolds number, and modified Froude number.     

高雷诺数下降液膜流动换热分析

本文分析了降液膜高雷诺数区域换热系数随液膜长度变化趋势,引出临界长度的概念。在较高雷诺数的湍流区,回流区的存在以及表面波的影响能有效地减少局部薄膜厚度并增加对流换热,流速的增加进一步强化换热,增加降膜整体传热系数。在高雷诺数区域,厚度形成的热阻超过回流的增强作用,而使换热削弱。液膜小于临界长度L换热系数随长度增长而增加,大于L换热系数随液膜增长而减小。     

水平微肋管内基于分层流流型的沸腾传热理论模型

本文提出了基于气液分层流的水平螺旋微肋管内沸腾传热理论预测模型。在模型建立过程中,采用了与开发微肋管冷凝分层流模型类似的理论处理方法。在气液分界面以上区域,相邻微肋之间的沟槽内的半月形液面形状取决于重力和表面张力之间的静力平衡关系,其中半月形液面中的薄液膜区域的传热特性由先前提出的薄液膜蒸发模型预测;分层流液体中的传热特性由Mori等建立的基于实验数据的关联式确定。将模型理论预测值与已由的四种不同结构的微肋管、三种有机工质下得到的实验数据进行了比较,结果表明,只要不发生管内部分烧涸现象,在Fr0<2.5时,理论预测值和实验数据符合得相当好。     

微米线结构表面的过冷流动沸腾实验研究

以去离子水为工质,配合高速摄像观测,研究了截面为0.5 mm×5 mm的微细窄矩形通道内氧化锌微米线结构表面的竖直流动过冷沸腾。流量范围200~400 kg·m^-2·s^-1,过冷度为10 K,热流密度最高为200 kW·m^-2。分析了不同工况下过冷沸腾的沸腾曲线、平均换热系数、局部换热系数和流型特征。     

液滴撞击液膜的流热耦合界面追踪方法数值模拟

采用界面追踪方法研究蒸馏过程中液滴撞击高温薄液膜的流动和传热特性，将数值结果与解析解和实验进行比较验证模型的正确性，研究气液界面和热流分布的演变过程.同时，分析液滴We数和无量纲液膜厚度对传热的影响.液滴撞击后的热流密度分布显示：液膜可分为撞击区、过渡区和静态区.由于液滴的撞击作用，强制对流是撞击区内主要的传热机制.增大液滴的韦伯数或减小无量纲液膜厚度会加强热量传递.随着液滴韦伯数的增加，冲击引起的扰动增强，在动量和能量共同作用下，平均热流密度明显增大，撞击区冠状水花越明显.无量纲液膜厚度越小，平均热流密度越大，且有更长的时间保持高热流密度换热.     

Measuring deformations of the heated liquid film by the fluorescence method

The fluorescence method was used to measure the instantaneous thickness field of the falling nonisothermal water film. The process of rivulet formation in a heated film was registered. Measurement averaging allowed determination of the degree of transverse deformation of a film. In the lower half of the heater within the interrivulet zone of the non-isothermal film, the wave amplitude decreases with a rise of the heat flux and reduction of the average thickness. Two zones of the heat flux effect on liquid film deformation were distinguished. At low heat fluxes, the film flow is weakly deformed. At high heat fluxes the thermal-capillary forces provide formation of rivulets and a thin film between them. The work was financially supported by the President of RF (NSh-6749.2006.8), Russian Foundation for Basic Research (Grants Nos. 05-08-33325-a, 06-01-00360-a), National Center on Science and Innovations (State contract No. 02.438.11.7002), and SB RAS (Interdisciplinary Integration Project No. 111).     

Electrical discharge characteristics of a dielectric liquid under external flow in a microchannel with planar electrode configuration

The effect of fluid flow on discharge characteristics in a dielectric liquid was determined. Tests were performed for flow in a 100 micron high, 5 mm wide, 50 mm long microchannel at Reynolds numbers up to 13 and applied DC potentials up to 1.5 kV through 100 micro planar electrode pairs along the floor of the channel. The current within the conduction regime increased as the flow rate increased for the case where the flow was in the same direction as the applied electric field. In the injection regime, there was an optimum flow rate for maximum current.