微小通道內(nèi)氣液Taylor流動及冷凝環(huán)形流動的數(shù)值模擬與實驗研究.pdf

1、強化傳熱是一個經(jīng)久不衰的課題，其相關(guān)研究涉及工業(yè)應(yīng)用的多方面。科技的發(fā)展與進步對強化傳熱的手段、方法提出了更高的要求，強化傳熱的研究熱點也逐漸由常規(guī)通道單相流動轉(zhuǎn)移到微小通道多相流動。雖然多相流應(yīng)用較為廣泛，但是微小通道內(nèi)多相流的流動換熱特性研究仍有很大的不足，其強化傳熱的機理認(rèn)識不夠。本文主要針對微小通道內(nèi)的無相變Taylor流動及冷凝環(huán)形流動進行研究，采用數(shù)值模擬及實驗的方法分析微小通道內(nèi)兩相流型對強化傳熱的影響，并分析其傳熱強化機

2、理。
　　微小通道內(nèi)的無相變Taylor流動是一種重要的兩相流型，廣泛應(yīng)用微反應(yīng)器、微電子器件散熱等領(lǐng)域。模擬結(jié)果表明：Taylor氣泡上升速度高于兩相入口速度，隨毛細(xì)數(shù)（Ca）增大而增大，無量綱的液膜厚度隨氣泡毛細(xì)數(shù)的增大而增大。Taylor流動液柱區(qū)域的內(nèi)循環(huán)會增大壓力損失、提高換熱系數(shù)，Taylor流動的內(nèi)部流線與充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)的等溫線吻合.相比單相工況，Taylor流動的換熱可較早達到充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)。方形及矩形通道內(nèi)三維Tay

3、lor氣泡受到壁面的限制作用，在較低的Ca下呈現(xiàn)非軸對稱形狀，而在較高Ca下，壁面限制作用減弱，Taylor氣泡呈現(xiàn)軸對稱形狀。循環(huán)區(qū)域的體積隨Ca的增大而降低，無量綱循環(huán)時間隨Ca的增大而增大，表明Taylor氣泡的徑向混合作用隨Ca的增大而降低。Taylor流動換熱系數(shù)的提高與壓力損失的增大隨內(nèi)循環(huán)區(qū)域的增大及循環(huán)時間的減小而更加明顯。
　　與單相流動及Taylor流動不同，微小通道內(nèi)的冷凝流動可以利用汽化潛熱，其換熱效果優(yōu)于

4、前者。本文采用數(shù)值模擬與實驗的方法研究微小通道（光管、扁平管及內(nèi)螺紋管）內(nèi)的冷凝換熱阻力特性，結(jié)果表明：冷凝換熱系數(shù)隨干度、質(zhì)量流量、重力加速度的增大和管徑以及飽和溫度的減小而提高；摩擦壓力梯度隨干度、質(zhì)量流量的減小而降低，隨管徑及飽和溫度的減小而增高；液膜厚度隨飽和溫度的增大而逐漸增大，隨著質(zhì)量流量、干度的增大以及管徑、重力加速度的降低而降低，換熱系數(shù)的分布情況與液膜厚度基本相反。液膜雷諾數(shù)（Re）較低時，液膜區(qū)域湍流度較小，湍流粘度

5、對液膜區(qū)域的等效導(dǎo)熱系數(shù)的影響較小，換熱系數(shù)主要由液膜厚度決定；隨液膜Re的增大，液膜區(qū)域湍流強度對換熱系數(shù)的影響要高于液膜厚度的作用。冷凝流動相變傳質(zhì)僅存在于相界面附近，通道內(nèi)的汽相介質(zhì)會向此部分區(qū)域流動，在重力的作用下形成一縱向渦，當(dāng)重力作用減弱時，縱向渦逐漸減小至消失。在相同的換熱面積下，扁平管的換熱系數(shù)及摩擦壓力梯度高于圓管，且隨通道縱橫比的增大而增大，強化作用在高干度及高質(zhì)量流量下更為顯著。扁平通道內(nèi)液膜傾向于集聚在通道的圓弧

6、角落區(qū)域而非通道的底部，通道的頂部與底部液膜較薄，角落區(qū)域較厚。當(dāng)重力作用對兩相流動的影響顯著時，扁平管的換熱強化效果較低，當(dāng)表面張力及慣性力作用明顯時，扁平通道具有較好的換熱強化作用。螺旋傾角引起的旋流，促使通道底部液膜沿螺旋槽道流動至通道頂部，冷凝過程中汽液界面基本為軸對稱形狀。由于螺旋內(nèi)肋的擾流作用，流線呈螺旋狀，螺旋內(nèi)肋的擾流作用主導(dǎo)冷凝流態(tài)，重力作用被抑制，截面流線呈螺旋狀。內(nèi)螺紋管對應(yīng)的換熱面積提高、環(huán)形流區(qū)域增大、高干度下