微細(xì)通道流動(dòng)沸騰換熱機(jī)理及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、高熱流密度換熱設(shè)備的高效冷卻問題，推動(dòng)了微細(xì)通道流動(dòng)沸騰研究的發(fā)展，目前已有部分成果得以應(yīng)用。微細(xì)通道內(nèi)的流動(dòng)傳熱異于常規(guī)尺寸管道，其流動(dòng)特性更加復(fù)雜，傳熱機(jī)理至今尚未定論，針對(duì)微細(xì)通道流動(dòng)沸騰問題展開研究仍是目前研究的熱點(diǎn)之一。
　　 本文建立了矩形微細(xì)通道流動(dòng)沸騰實(shí)驗(yàn)臺(tái)，加工了微細(xì)通道實(shí)驗(yàn)元件，完成了寬度為0.5～2.0mm，壓力介于0.12～0.15MPa范圍內(nèi)的流動(dòng)沸騰實(shí)驗(yàn)，研究了通道寬度s、運(yùn)行壓力P、工質(zhì)流量G、入口

2、過冷度△t及加熱功率P對(duì)微細(xì)通道流動(dòng)沸騰的影響，并進(jìn)行了流動(dòng)沸騰的可視化研究，對(duì)觀察到的流型進(jìn)行了定義和探討，分析了流型與系統(tǒng)壓降及沸騰換熱系數(shù)之間的關(guān)系，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制了豎直矩形微細(xì)通道內(nèi)流動(dòng)沸騰的流型圖。對(duì)Van Stralen的核態(tài)沸騰模型進(jìn)行修正，提出了計(jì)算流動(dòng)沸騰總熱流密度的新方法，將流動(dòng)沸騰換熱區(qū)域分成氣泡覆蓋區(qū)和流體覆蓋區(qū)兩部分，并將生成氣泡的數(shù)量及氣泡所占據(jù)的壁面面積作為加權(quán)，對(duì)總熱流密度公式進(jìn)行修正，得到了沸騰換熱系

3、數(shù)與通道尺寸之間的關(guān)系式，分析了微細(xì)通道流動(dòng)沸騰機(jī)理，結(jié)果表明微細(xì)通道流動(dòng)沸騰換熱特性與氣泡脫離指數(shù)n有關(guān)，只有當(dāng)該指數(shù)n<1時(shí)，隨著通道尺寸的減小，沸騰傳熱系數(shù)才會(huì)呈增加趨勢。
　　 本文對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理與統(tǒng)計(jì)，分析了影響過冷沸騰起始點(diǎn)的因素，繪制了工質(zhì)入口溫度tin，體積流量G，通道寬度s及系統(tǒng)運(yùn)行壓力P對(duì)過冷沸騰起始熱流密度qONB的影響關(guān)系圖，對(duì)比了各影響因素所占的比重，擬合出微細(xì)通道內(nèi)過冷沸騰起始熱流密度的計(jì)算式。

4、本文對(duì)飽和沸騰進(jìn)行了探討，發(fā)現(xiàn)該換熱區(qū)域是以氣泡的相變潛熱為主要的傳熱方式，其傳熱過程與氣泡生成頻率fg、氣泡脫離直徑Dd以及通道寬度s等有較大關(guān)系，擬合了飽和沸騰換熱經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。通過上述分析，提出了在微細(xì)通道單側(cè)面加熱工況下，從加熱面指向絕熱面分為氣泡形成區(qū)、氣泡生長區(qū)和氣泡湮滅區(qū)三個(gè)區(qū)域，各區(qū)域邊界受熱流密度和工質(zhì)流速的共同影響而變化，這種變化也直接導(dǎo)致氣泡的不同運(yùn)動(dòng)形態(tài)。利用分相流模型對(duì)微細(xì)通道流動(dòng)沸騰過程的壓降問題進(jìn)行處理，建立

5、了基于氣相與液相的流速不相等及氣液兩相之間處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)兩個(gè)基本假設(shè)的兩相流總壓降梯度表達(dá)式，深入分析了入口過冷度△t，體積流量G，通道寬度s及系統(tǒng)運(yùn)行壓力P對(duì)流動(dòng)壓降△p的影響，擬合出流動(dòng)沸騰總壓降關(guān)系式并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，表明該擬合關(guān)系式可以描述豎直微細(xì)通道內(nèi)流動(dòng)沸騰過程中的壓力降。
　　 本文建立了多尺寸、不同流道形狀的豎直矩形微細(xì)通道流動(dòng)沸騰模型，采用有限容積積分法對(duì)控制方程及計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散化，選擇SIMPLE

6、R方法求解壓力場和速度場，計(jì)算過程中對(duì)工質(zhì)進(jìn)行變物性處理，選用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型進(jìn)行湍流充分發(fā)展區(qū)域的數(shù)值模擬，近壁面區(qū)域采用壁面函數(shù)法，并利用CFD軟件的UDF功能進(jìn)行了C語言自編程以實(shí)現(xiàn)均質(zhì)沸騰和非均質(zhì)沸騰的數(shù)值計(jì)算，獲得了微細(xì)通道內(nèi)氣泡的形成、生長和脫離等運(yùn)動(dòng)規(guī)律，得到了氣液兩相壓力場、速度場和溫度場的分布，分析了換熱系數(shù)隨氣泡運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，并將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比且吻合良好，表明所建立的模型可以用來模擬豎直矩形微細(xì)通道中的

7、流動(dòng)沸騰。由于微細(xì)通道流動(dòng)沸騰對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求相對(duì)苛刻，許多極限條件下的實(shí)驗(yàn)難于進(jìn)行，該模型的建立可彌補(bǔ)寬廣參數(shù)范圍內(nèi)的研究數(shù)據(jù)，在一定程度上促進(jìn)微細(xì)通道流動(dòng)沸騰研究的進(jìn)展。兩相流的流型對(duì)壓降和傳熱均有很大影響，本文依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果，引入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法實(shí)現(xiàn)氣液兩相流流型的識(shí)別。將壓力、溫度、截面含氣率、工質(zhì)流速等參數(shù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入特征向量，經(jīng)過歸一化和無量綱化處理之后輸入到BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)微細(xì)通道流