微小通道內(nèi)液氮射流沖擊傳熱和流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、隨著微型化技術(shù)的發(fā)展，微通道中的流動(dòng)和換熱已被引入到電子集成電路、航天、低溫生物醫(yī)療等現(xiàn)代高新技術(shù)領(lǐng)域，對(duì)其規(guī)律的研究也正成為國(guó)際傳熱界的熱點(diǎn)。本文對(duì)微小通道內(nèi)液氮射流沖擊傳熱和流動(dòng)的特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。 首先，在已有實(shí)驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)上，克服低溫實(shí)驗(yàn)中的絕熱和測(cè)量困難，采用可視化技術(shù)，搭建一套適用于微小通道內(nèi)液氮射流沖擊傳熱和流動(dòng)特性研究的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。 對(duì)直徑為1.931mm的微小噴嘴在環(huán)形受限空間內(nèi)射流沖擊傳熱和流動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)

2、研究，考察換熱曲面、噴射間距、噴射速度、換熱表面狀態(tài)和質(zhì)量流量等因素對(duì)傳熱的影響，著重分析駐點(diǎn)區(qū)域的熱流密度與噴射速度及噴射間距的關(guān)聯(lián)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制的液氮射流沖擊換熱曲線位于液氮池沸騰與水圓形受限射流沖擊換熱曲線之間，且與池沸騰換熱曲線的延伸線能夠很好地銜接，表明了射流沖擊是強(qiáng)迫對(duì)流換熱的一種強(qiáng)化傳熱方式。相對(duì)于加熱過(guò)程，射流沖擊換熱冷卻過(guò)程有明顯的滯后現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的微小通道內(nèi)液氮射流沖擊臨界熱流密度（CHF）與理論預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了

3、比較，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)值比理論預(yù)測(cè)值高30％-50％。同等條件下，半球換熱面具有最高的臨界熱流密度，平面換熱面則最低。射流沖擊局部傳熱系數(shù)隨噴射間距的增大單調(diào)減小，且較低的過(guò)熱度下，平面帶尖換熱面具有最好的傳熱效果，而較高過(guò)熱度下，半球面則具有最好的換熱效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明受污染后的射流傳熱數(shù)量級(jí)只相當(dāng)于液氮池沸騰換熱。 利用半球面和平面帶尖的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出了Re數(shù)在3500-9600間的傳熱關(guān)聯(lián)式，并與已有實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式進(jìn)行了比較。與常規(guī)流

4、體自由表面射流沖擊相比，微小通道管內(nèi)受限射流沖擊Nu數(shù)明顯偏大。隨著Re數(shù)的增大，平面帶尖和半球面的換熱效果趨于一致，且噴射間距對(duì)傳熱的影響也逐漸削弱。利用層流邊界層理論對(duì)射流沖擊流場(chǎng)進(jìn)行了理論分析，發(fā)現(xiàn)理論計(jì)算值低于實(shí)驗(yàn)值，但趨勢(shì)一致，誤差不超過(guò)15％，表明管內(nèi)射流沖擊駐點(diǎn)傳熱受來(lái)流速度和湍流度的雙重影響。 噴射速度較低、噴射間距較大時(shí)，液氮在微小通道內(nèi)受限射流沖擊的沸騰換熱體現(xiàn)出與池沸騰和管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流沸騰相似的沸騰狀態(tài)和流型