微通道中临界热流密度的实验研究.pdf
多孔微通道流动沸腾换热特性的实验研究
第39卷,总第225期2021年1月,第1期《节能技术》ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGYVol.39,Sum.No.225Jan.2021,No.1 多孔微通道流动沸腾换热特性的实验研究张东辉,徐海洋,陈 一,王雷青,曹 薇,吴明发,周志平(江苏科技大学能源与动力工程学院,江苏 镇江 212003)摘 要:本文通过实验的方法对烧结的多孔微通道和铜基微通道的沸腾换热性能和流动不稳定进行研究。
实验工质选用去离子水,采用的铜粉粒径分别为30μm、50μm、90μm,烧结底厚为200μm和400μm。
采取控制变量的方式,研究改变入口温度、铜粉粒径大小、入口流量对多孔微通道和铜基微通道换热性能的影响。
研究表明:多孔微通道最优的厚度粒径比在2~5之间,在此区间的多孔微通道可以提高沸腾传热的性能。
其中厚度粒径比为2和4的多孔微通道的最大换热系数是铜基微通道的换热系数的5倍。
多孔微通道相对于铜基微通道有更好的换热能力,有着较低的壁面温度。
关键词:换热;流动沸腾;两相流;铜基微通道;多孔微通道中图分类号:TK011 文献标识码:A 文章编号:1002-6339(2021)01-0020-06Experimental Study on Flow Boiling Heat Transfer Characteristicsof Porous MicrochannelsZHANG Dong-hui,XU Hai-yang,CHEN Yi,WANG Lei-qing,CAO Wei,WU Ming-fa,ZHOU Zhi-ping (School of Energy and Power Engineering,Jiangsu University of Science andTechnology,Zhenjiang212003,China)Abstract:In this paper,the boiling heat transfer performance and flow instability of sintered porous mi⁃crochannels and copper-based microchannels are studied through experiments.The experimental work⁃ing medium used deionized water,the particle size of the copper powder used was30μm,50μm,90μm,and the thickness of the sintered bottom was200μm and400μm.The method of controlling varia⁃bles was used to study the effect of changing the inlet temperature,copper particle size and inlet flow rate on the heat transfer performance of porous microchannels and copper-based microchannels.Studies have shown that the optimal thickness-to-diameter ratio of porous microchannels is between2~5,and por⁃ous microchannels in this interval can improve boiling heat transfer performance.The maximum heat transfer coefficient of porous microchannels with thickness-to-particle ratios of2and4is5times that of copper-based pared with copper-based microchannels,porous microchannels have better heat transfer capabilities and have lower wall temperatures.Key words:heat transfer;flow boiling;two-phase flow;porous microchannels收稿日期 2019-09-17 修订稿日期 2020-04-20基金项目:江苏省研究生科研与实践创新计划项目(KYCX19_1701)作者简介:张东辉(1970-),男,博士后,副教授,微尺度两相流换热。
微小通道内超临界R134a流动传热特性
化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2024 年第 43 卷第 4 期微小通道内超临界R134a 流动传热特性张巧玲1，马祖浩1，于子元2，刘梓俊1，黄铋匀1，杨振东1，马浩然1（1 西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西 西安 710048；2青岛沃柏斯智能实验科技有限公司，山东 青岛 266100）摘要：超临界有机朗肯循环（supercritical organic Rankine cycle ，SORC ）是回收中低品位能源较理想的新型动力循环技术之一，而超临界有机工质的传热特性严重影响了系统能效，目前已成为制约有机朗肯循环技术向前发展的瓶颈。
基于此，本文实验研究了超临界R134a 在2mm 微小通道内的流动传热特性，参数范围为：热流密度60~120kW/(m 2·s)，质量流速800~3000kg/(m 2·s)，压力4.1~5.1MPa ，工质进口温度20~100℃，探讨了热流密度、质量流速、压力、流体焓值等参数对传热特性的影响规律。
结果表明，传热系数随流体温度的升高先增加后减小，随质量流速的增加而增加，随着热流密度和压力的增加而减小。
流体焓值在拟临界值附近出现压降平缓区。
根据实验数据拟合得到了微通道内R134a 的传热关联式，该关联式预测误差均在±10%之内，具有良好的预测精度。
关键词：微小通道；超临界R134a ；流动传热；有机朗肯循环；传热关联式中图分类号：TK124；TQ021 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2024）04-1667-09Convection heat transfer research of supercritical R134a inmini-channel of tubeZHANG Qiaoling 1，MA Zuhao 1，YU Ziyuan 2，LIU Zijun 1，HUANG Biyun 1，YANG Zhendong 1，MA Haoran 1(1 State Key Laboratory of Eco-hydraulics in Northwest Arid Region, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, Shaanxi, China; 2 Qingdao Wobes Intelligent Experiment Technology Co., Ltd., Qingdao 266100, Shandong, China)Abstract: The supercritical organic Rankine cycle (SORC) is an ideal new power cycle technology for recovering energy using supercritical organic Rankine cycle. The energy efficiency of the system is significantly affected by the SORC, the supercritical organic working medium, low grade energy recovery, and the heat transfer characteristics of the supercritical organic working medium. At present, it has become a bottleneck that restrict the development of organic Rankine cycle technology. To address this issue, the experimental studies were conducted on the flow heat transfer characteristics of supercritical R134a in a tiny channel with an inner diameter of 2mm). The parameters considered in the study were as follows: heat flux ranging from 60—120kW/(m 2·s), mass flow rate from 800—3000kg/(m 2·s), pressure from 4.1—5.1MPa, and working medium inlet temperature from 20—100℃. The effects of heat flow density, mass flow velocity, pressure and fluid temperature on the heat transfer characteristics were discussed. The results showed that the heat transfer coefficient initially increased and then decreased with the increase of fluid temperature. It also increased with the increase of研究开发DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2023-1273收稿日期：2023-07-24；修改稿日期：2023-12-09。
水平环形窄通道中的流动不稳定起始点和临界热流密度
图１ 均匀加热通道 静态水动力特性曲 线
实验表 明：Ｏ Ｉ Ｆ 在出口平衡含汽率为零或者正值 的情况下发生，说明忽略通道 内的过冷 空泡是可能的。同时 ， 那些广泛应用于大通道 Ｏ Ｉ Ｆ 现象的模型和关系式不能直接应用于
低流速下的微通道。 １２ 临界 热 流 密度 （ ． ＣＨＦ ） 临界热流密度（ Ｈ ） Ｃ Ｆ Ｎ被广￣ＮＮｇ［￣ １ ｔｔ。应用于向上流动的垂 直大通道 内导致 ７９ ＣＦ Ｈ 的机理很容易定性地理解 。 。 对于偏离泡核沸腾Ｄ Ｂ 和于涸 也有成功的半 。 Ｎ ［ 卜
１所示 。如果通道是强迫或 自 然循环的一部分 ， 那么曲线的负斜率段是不稳定的。即在
热负荷不变的情况下 ， 当加热通道内质量流速下降到曲线的压降最低点（ Ｆ） ， ＯＩ 时 就会发
生流量漂移 ，通道内流量会明显减小。为了阻止流量漂移发生 ，对通道的加热功率作了
限制 ，使系统不运行在静态水动力特性 曲线 的负斜率段。 对于给定的加热功率 ， Ｆ 点的质量流速稍低于 Ｏ Ｖ点和整体沸腾起始点（ ＯＩ Ｓ 从此点
１ 简
介
小通道 内强迫对流过冷沸腾是 目 前最有效的工程热传输方法之一 ，也是超高热流密 度应用可选择的冷却机理。流动不稳定起始点（ Ｆ） ＯＩ 和临界热流密度（ Ｈ ） Ｃ Ｆ是利用沸腾传 热机理的冷却 系统安全运行的上限。 １１ 流动不稳定起始点（ Ｆ） ． Ｏ Ｉ
两相流量漂移不稳定性对沸腾流道设计和运行是至关重要的，它可能导致流道干涸 甚至加热通道烧毁Ｌ 。 ｌ 加热通道的静态不稳定性是基于其水动力特性 曲线（ 压降． 曲 流量 线） 来分析。 一般形式的静态水动力特性 曲线是在恒定热负荷 ， 以及利用可变的人 口温度 得到一个可变的欠热冷却水质量流密度的条件下 ，以测量试验段总压降而获取的。如图
微通道流体物性对流动与传热影响的数值模拟和实验研究
A 辑 2008 年第 4 期
1 前言
随着科技的进步，在电子元件芯片高密度、低 线宽的发展趋势下，单位面积散发的热量也跟着上 升。散热的问题成为未来能否提升效率的最大 关 键。微通道散热器是一种创新的冷却技术[1]。探讨 微尺度通道与传统流道的流动特性和传热特性 之 间的差异非常有必要性。近些年来，国内外对微通 道内流动和传热现象已有大量的研究文献和报道。 Qu 和 Mudawar[2]对微矩形通道（宽 57μm，高 180 μm）内的传热和流动进行数值模拟计算。采用水 为冷却介质，假设各物性参数均为常数。结果显示， 流体和固体的温度沿流动方向线性增加，最高温度 出现在微通道的出口处的加热上表面。热流密度和 Nu 数在进口处有最大值，但在边角区域几乎为零。 Toh 和 Chen [3]等人对矩形微通道内的流动传热进行 详细的讨论。模型假设流体各物性参数随温度 变 化。发现特别在低雷诺数时，由于加热的原因，流 体温度升高。导致流体黏度减小，摩擦系数降低。 在现有文献中，大多数的研究都是建立在流体物性 为常数的前提下进行的。但在低雷诺数的情况下。 如果系统存在较大温度差，那么随温度变化的物性 参数也会有较大的波动。
高为 200μm，工质采用去离子水。讨论流体热物性随温度变化对流动传热特性的影响。并把实验数据、模拟结果和文献
参考值比较。结果显示，恒热流边界条件下，由于热量加入导致流体温度沿流动方向升高，摩擦系数沿流动方向有递减趋
势。进口处的 Nu 数有最大值，在 L*=0.2 处降到最小值，之后又攀升到充分状态时的 Nu 数值。在充分发展段，Nu 数保持
表 1 微通道换热 芯片结构尺寸/μm
Wch
H
Ww
S
Wh
Lh
Nch
50 200 100 475 60 10000 64
《微管道中纳米流体流动及传热研究》范文
《微管道中纳米流体流动及传热研究》篇一一、引言随着微纳科技的飞速发展，微管道中纳米流体的流动与传热研究已成为科研领域的热点之一。
微管道内流体的流动和传热行为直接关系到众多工程应用领域，如微电子冷却、生物医药传输、能源存储等。
而纳米流体的引入，由于其出色的热物理性质和导热性能，显著地提升了传统流体的传热效果。
本文将详细阐述微管道中纳米流体的流动特性和传热机理，旨在为相关研究提供理论基础和实践指导。
二、微管道中纳米流体的流动特性在微尺度下，纳米流体的流动特性与宏观尺度下的流体有所不同。
首先，由于纳米粒子的存在，纳米流体具有更高的粘度，这使得流动阻力增大。
然而，在微管道中，这种增大的阻力反而有助于提高流体的层流性，减少湍流的发生。
此外，纳米粒子的布朗运动也会对流动产生影响，使得流体在微管道中的流动更加复杂。
针对上述问题，我们采用分子动力学模拟和实验研究相结合的方法，对微管道中纳米流体的流动特性进行了深入探究。
研究结果表明，在一定的雷诺数范围内，纳米流体的流动表现出较好的层流性。
此外，随着纳米粒子浓度的增加，流动的阻力也会逐渐增大。
三、微管道中纳米流体的传热机理纳米流体在微管道中的传热机理主要涉及两个方面：一是纳米粒子的导热作用；二是流体与管道壁面的热交换。
由于纳米粒子具有较高的导热系数，它们在流体中能够有效地传递热量。
同时，在微尺度下，流体与管道壁面的热交换也更加迅速。
我们通过实验和数值模拟的方法，对微管道中纳米流体的传热性能进行了研究。
结果表明，在一定的流量和温度条件下，纳米流体的传热性能明显优于传统流体。
此外，我们还发现纳米粒子的浓度、粒径以及流体流动状态等因素都会对传热性能产生影响。
四、影响因素及优化策略影响微管道中纳米流体流动和传热的因素较多，主要包括纳米粒子的浓度、粒径、形状、表面电荷等。
此外，流体的流速、温度、压力等也会对流动和传热性能产生影响。
针对这些问题，我们可以采取一系列优化策略来提高纳米流体的性能。
《2024年微管道中纳米流体流动及传热研究》范文
《微管道中纳米流体流动及传热研究》篇一一、引言随着微纳科技的飞速发展，微管道中纳米流体的流动与传热研究逐渐成为科研领域的热点。
微管道由于其独特的小尺度效应，对流体流动及传热特性产生显著影响，尤其是在加入纳米粒子后形成的纳米流体，其热导率及流动性都得到显著增强，为许多领域如微电子冷却、生物医学、能源开发等提供了新的可能性。
本文将围绕微管道中纳米流体的流动及传热展开研究，分析其特性与影响。
二、微管道中纳米流体的流动特性在微管道中，纳米流体的流动特性与常规流体有着显著差异。
纳米流体的流动性增强主要源于纳米粒子的高导热性及流体的纳米尺度效应。
纳米粒子的加入可以有效地减小流体分子间的摩擦力，从而提高流体的流动性。
同时，在微管道中，由于尺度效应，流体的速度分布、流动状态等都受到较大影响。
2.1 速度分布与流动状态在微管道中，纳米流体的速度分布与常规流体有所不同。
由于纳米粒子的存在，流体在微管道中的流动更加均匀，速度梯度减小。
此外，纳米流体的非线性流动特性在微管道中表现得更为明显，对流体的传输效率及稳定性有着重要影响。
2.2 摩擦力与泵送功率由于纳米粒子的高导热性及良好的润滑性，纳米流体在微管道中的摩擦力减小，从而降低了泵送功率。
这为许多需要高效率、低能耗的领域提供了新的解决方案。
三、微管道中纳米流体的传热特性纳米流体的传热特性相较于常规流体有显著提高，这主要归因于纳米粒子的高导热性及纳米尺度的特殊效应。
在微管道中，这种优势更加明显。
3.1 热导率提升纳米粒子的加入可以显著提高流体的热导率，使流体在传热过程中具有更高的热传导能力。
此外，纳米粒子的布朗运动也能增强流体的热传导效果。
3.2 传热速度与效率由于微管道的特殊结构，纳米流体在其中的传热速度更快，传热效率更高。
同时，纳米流体的均匀流动性使得热量能够更快速地在流体中传递，降低温度梯度。
四、影响纳米流体流动及传热的因素影响微管道中纳米流体流动及传热的因素众多，包括纳米粒子的种类、浓度、粒子大小及形状、微管道的结构及尺寸等。
矩形窄缝通道轴向非均匀加热临界热流密度实验研究
ｌ —— 实 验段 ；２ —混 合式冷 凝器 ；３ — 热交 换器 ； — —
条件假说法”认为 ，在一定的压力和流量下 ，临 界热流密度仅仅取决于临界发生点 的含汽量 ，而 与加 热形状 无关 。该 方 法适用 于 高过冷 区或低 含 汽 Ｅ（ 含汽 量大 概小 于 一０ ） 沸腾 长度法 ” ｘＪ ￣界 ． 。“ ２
２ 实验装置
实验在 中国核动力研究设计院热工水力实验
收稿 日期 ：２ ０ ．４０ ；修 回 日期 ：２ ０ ． １１ ０ ６０ －３ ０ ７０ ． ０
非均匀加热临界热流 密度实验研究
３ ５
均热流密度和该点的含汽量 ，而临界点处冷却剂 的传 热情况 不 受轴 向热 流密度 分 布 的影 响 。该 方
中图 分 类 号 ：Ｔ ３ Ｌ３ 文 献标 识 码 ：Ａ
１ 前 言 窄缝通道具有较强的换热能力 ，近年来在工
业 技术 中得 到广 泛 的应 用 ，在化工 和核 能领 域 的
装置 上进行 （ １；实验段 如 图 ２所示 。实验 段 的 图 ）
研制是该实验的关键技术之一 ，文献【 作了详细 ５ 】 介绍。实验段流通截面为窄缝型矩形通道 ，宽边 沿轴 向的厚 度呈 中 间薄 、两 端 厚的余 弦分 布 ，以 实现轴向的截断余弦型非均匀加热方式。加热段 的加 热 电源 采用额 定输 出 ６Ｖ、 Ｏ０Ａ 的直 流发 ５ ｌ００
量 ， ．级 Ｓ ３０ 压力传感器测量实验段进出口 ０１ Ｔ ０ ０ 压力 ， ｌ 的 Ｎ 型铠 装热 电偶测 量实验 段进 出 ｍｍ
口水 温 。
核反应堆 内燃 料元件轴 向的功率分布是非均 匀 的 ，为 了更 真 实地 了解轴 向非均 匀功 率分 布下 的
临界 热流 密度值 ，开 展矩形 窄缝 通道 轴 向非 均 匀
粗糙度对微细通道纳米流体临界热流密度(CHF)和不稳定性的影响
2017年第36卷第11期 CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS·3947·化 工 进展粗糙度对微细通道纳米流体临界热流密度（CHF ）和不稳定性的影响罗小平，李海燕（华南理工大学机械与汽车工程学院，广东 广州 510640）摘要：分别以去离子水和质量分数为0.3%的Al 2O 3-H 2O 纳米流体为实验工质，在水力直径为1.24mm 的矩形微细通道内进行饱和流动沸腾传热实验研究。
首先运用酸性抛光技术对矩形微细通道的壁面粗糙度进行处理，再采用SFS 法获得壁面粗糙度的显微图像，然后借助MATLAB 对图像进行灰度化处理，从而获得粗糙度分别为25.3、38.7、51.2的3种实验矩形微细通道。
对比研究了去离子水和0.3%Al 2O 3-H 2O （质量分数）纳米流体在饱和流动沸腾传热过程中不同壁面粗糙度对临界热流密度（CHF ）和纳米流体流动不稳定性的影响。
研究结果表明：相同工况下，0.3%Al 2O 3-H 2O 纳米流体的CHF 比去离子水可提高18.37%～226.28%；随着壁面粗糙度的增大，两种工质的CHF 均略有增大，但相比去离子水，0.3%Al 2O 3-H 2O 纳米流体CHF 随壁面粗糙度增大而增大的趋势更为明显；通过对大量实验数据综合评估分析，发现微细通道壁面粗糙度的增大会使微细通道内流体流动的不稳定性增大。
关键词：微细通道；纳米流体；表面粗糙度；临界热流密度；不稳定性中图分类号：TK124 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2017）11–3947–08 DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0523Effect of surface roughness on nanofluid critical heat fluxes (CHF) inrectangular microchannels and instabilityLUO Xiaoping ，LI Haiyan（School of Mechanical and Automotive Engineering ，South China University of Technology ，Guangzhou 510640，Guangdong ，China ）Abstract ：Saturated flow boiling heat transfer in rectangular microchannels with a hydraulic diameter of 1.24mm was experimentally investigated. Deionized water and 0.3% Al 2O 3-H 2O nanofluid were selected respectively as the working fluids. Rectangular microchannels’ surface roughness was disposed firstly by acidic polishing process ，further sonic frequency system （SFS ） method was adopted to obtain the microscopic images of surface roughness ，and then these images were gray-scale processing by means of MATLAB. Accordingly ，three experimental rectangular microchannels whose surface roughness was 25.3、38.7 and 51.2 respectively were acquired. Contrastive study on the effect of different surface roughness on nanofluid critical heat fluxes （CHF ）and instability in the process of saturated flow boiling heat transfer of deionized water and 0.3%Al 2O 3-H 2O nanofluid was carried out. Results indicated that under the same experimental conditions ，the CHF of 0.3% Al 2O 3-H 2O nanofluid can be increased by 18.37%—226.28% than deionized water. With the increase of surface roughness ，the第一作者及联系人：罗小平（1967—），男，教授，主要从事微尺度相变传热研究。
毛细管中液氮临界热流密度(CHF)的实验研究
摘 要 ： 采 用直 流 电源加 热毛 细管 中心线 的方 法 ， 究 了毛 细 管 直径 尺 寸 和位 置 倾 角对毛 细 管 中 研
中 的窄缝 和细小 通 道起 到将 液氮 引导 到其 内部 加快 冷却 的作用 ， 因此 有 必 要 对 液 氮 在 这些 小 结 构 中 的
险． 目前 已 有 学 者对 于窄 缝 中 Ｃ ＨＦ的 规 律 进 行过 实验 和理 论研 究 ， 出倾 角 和窄 缝厚 度 是影 响 Ｃ 指 ＨＦ 值 的 重要 因素 ［ ， 分别 提 出 了假 设 来描 述 窄 缝 １ 并 ］
Ｋｅ ｒ ｓ ｃ ｐ ｌ ｒ ｕ ｅ ｌ ｕｄ ｎｔｏ ｅ ， ｙ ｗｏ ｄ ： ａ ｉ ａ ｙ ｔ ｂ ，ｉ ｉ ｉ ｇ ｎ ＣＨ Ｆ（ ｒｔｃ ｌｈ ａ ｌ ｘ ｓ ，ｎ ｌ ａ ｉｎ ａ ｇ ｅ ｌ ｑ ｒ ｃｉｉａ ｅ ｔｆｕ ｅ ） ｉｃｉ ｔｏ ｎ ｌ ｎ
随着超 导技 术 的 发 展 ， 温 超 导材 料 的 超 导转 高 变温 度 已经到达 了液 氮 温 度 区域 ， 因此 液 氮 在 很 多 场合 中均 被用来 冷 却 高 温 超 导器 件 ， 外 这 些 器件 此
ｌ ｒ ｕ ｅ ｎ ｌ ｅ ｃ ｄ ｂ ｉ ｅ ｅ ｔｄ ａ ｔ ｒ ｓｚ ｓ ａ ｄ ｉ ｃｉ ａ ｉ ｎ ａ ｇ ｅ ｒ ｎ ｅ ｔｇ ｔ ｄ Ｉ ｓ ｆ ｕ ｄ ｔ ａ ｈ ａ ｙ ｔ ｂ ｓｉ ｆｕ ｎ ｅ ｙ ｄ ｆ ｒ ｎ ｉ ｍｅ ｅ ｉｅ ｎ ｎ ｌ ｔｏ ｎ ｌ ｓａ ｅ ｉ ｖ ｓ ｉ ａ ｅ ． ｔｉ ｏ ｎ ｈ ｔｔ ｅ ｆ ｎ ｄ ａ ｔ ｒ ｓｚ ｓ ａ ｄ ｔ ｅ ｉ ｃｉ ａ ｉ ｎ ａ ｇ ｅ ｆ ｔ ｅ ｃ ｐ ｌ ｒ ｕ ｅ ａ ｅ ｉ ｏ ｔ ｎ ｆｅ ｔ ｎ ｔ ｅ ｃ ｉｉ ｌ ｅ ｔ ｉｍｅ ｅ ｉｅ ｎ ｈ ｎ ｌ ｔｏ ｎ ｌｓ ｏ ｈ ａ ｉ ａ ｙ ｔ ｂ ｓ ｈ ｖ ｍｐ ｒ ａ ｔ ｅ ｆ ｃ ｓ ｏ ｈ ｒｔ ａ ａ ｎ ｌ ｃ ｈ
《2024年弯曲矩形微纳通道内的流体流动及其传热、传质问题的研究》范文
《弯曲矩形微纳通道内的流体流动及其传热、传质问题的研究》篇一一、引言随着微纳科技的发展，微尺度下的流体流动、传热和传质问题逐渐成为科研领域的重要研究方向。
其中，弯曲矩形微纳通道内的流体流动特性及其相关的传热、传质问题，因其在实际应用中的广泛性和重要性，受到了广泛关注。
本文旨在研究弯曲矩形微纳通道内的流体流动规律，以及其传热、传质特性，为微纳尺度下的流体动力学和热质传递理论提供新的见解。
二、弯曲矩形微纳通道的流体流动研究2.1 流动模型与理论分析在微纳尺度下，流体流动受到表面效应、惯性效应等多种因素的影响。
对于弯曲矩形微纳通道，其流体流动受通道几何形状、尺寸、弯曲程度以及流体物性等因素的影响。
通过建立流动模型，运用Navier-Stokes方程等流体力学理论，可以分析流体在微纳通道内的流动状态。
2.2 实验方法与结果分析通过粒子图像测速技术（PIV）、显微镜观察等方法，可以获取微纳通道内流体流动的实时数据。
实验结果显示，在弯曲矩形微纳通道内，流体呈现出复杂的层流和湍流共存现象。
流体的速度分布、涡旋形成等特征在微纳尺度下具有明显的变化规律。
三、传热与传质问题的研究3.1 传热问题分析在弯曲矩形微纳通道内，流体的传热过程受流动状态、通道材料、热物性等因素的影响。
通过建立热传导模型，运用热力学理论，可以分析微纳通道内的热量传递过程。
实验结果显示，在微纳尺度下，热传导具有显著的增强效应，传热速率显著提高。
3.2 传质问题分析在弯曲矩形微纳通道内，流体的传质过程受扩散、对流等多种因素的影响。
通过建立传质模型，运用扩散理论等化学工程原理，可以分析微纳通道内的物质传递过程。
实验结果显示，在微纳尺度下，传质速率也得到显著提高。
四、影响因素与优化策略4.1 影响因素分析弯曲矩形微纳通道内的流体流动、传热和传质过程受多种因素影响，包括通道几何形状、尺寸、弯曲程度、流体物性、温度等。
这些因素相互影响，共同决定着微纳通道内的流体行为。
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!第!"卷!第"期!#$$"年"月微通道中临界热流密度的实验研究!周继军!!"!徐进良"""!甘云华!!"!陈!勇"!#中国科学技术大学热科学和能源工程系!合肥"$%%"&""#中国科学院广州能源研究所微能源系统实验室!广州,!%&’%!"%%’(%+("%收稿!"%%’(!%(!$收修改稿!"广东省科技计划资助项目#批准号$%*($$!%$%!""通讯作者!5(6789$]?‘9!6@#>8C B #7B #B =摘要!!对当量直径%#,66!有效加热长度’,#%66的微通道进行了临界热流密度的实验研究#表明临界热流密度随工质质量流速和进口过冷度的增加而增加#基于实验数据给出了临界热流密度与I C :C E 数"进口过冷度的关联式#实验还发现微通道中的临界热流密度现象不同于常规通道#微通道中临界热流密度的产生是由于微通道的蒸汽阻塞#在达到临界热流密度之前!微通道的流动和传热主要是周期性的过冷流动沸腾!从微通道逸出的汽泡和进入微通道的液体反复交替冲刷微通道#一旦达到临界热流密度!微通道中的流动和传热主要是一个蒸汽周期性逸出的过程#一直持续到过热蒸汽的出现!直到最后整个微通道被过热蒸汽阻塞#关键词!!微通道!临界热流密度!蒸汽阻塞!!由于电子行业对高热流密度芯片冷却提出了很高的要求!微尺度相变传热的研究受到学术界的高度重视#微尺度相变传热涉及到微尺度空间内的沸腾起始点&压差&传热系数&流型&临界热流密度#0W 2%等诸多问题!综述性论文见文献’!!"(#由于设备在0W 2下工作时!将引起壁面温度的突然升高!严重时将使得加热面烧毁!所以0W 2是相变换热器在运行过程中应绝对避免的#常规通道中的0W 2!无论是对于垂直流动还是对于水平流动!都已进行了大量的研究’$),(!这些研究主要是为了满足核反应堆的设计要求#对于微通道中的0W 2研究!R C =D 799等’!(指出*可利用的数据极少!关于微通道中0W 2的研究有许多工作要做+#W 799等’&(提出了一个统计关联式!包含大量的过冷沸腾数据!解释了当通道水力直径小于"66时!管径对0W 2的影响#b ?’+(以水为工质在直径"#*)66水平管#加热长度%#*!6%内进行了0W 2的实验研究!水的质量流速的范围为,%)"%%Z >,#6"-@%#.A J D D 7E D 等’)(也对环形通道#内径&#’,66!外径+#++66%进行了0W 2研究!加热段长度!)#,B 6#质量流速!%%)$)%Z >,#6"-@%!进口温度$%)&,n#发现在同样的条件下!水平布置的比垂直布置的0W 2值要低!并且0W 2现象在相对较大的干度下出现#-7=D C E [J E A 等’*(对%#$)"#+66的微通道也进行了0W 2实验!其质量流速的范围为,%%%)’%%%%Z >,#6"-@%#结果表明0W 2值随质量流速和过冷度的增加而增加#T J <C E 等’!%(以1(!!$为工质在当量直径为"#,’66的细通道及当量直径为%#,!66的微通道内进行了0W 2的实验研究!结果发现在此微通道中的0W 2高于在此细通道中的0W 2!这是由于微通道中的汽泡运动机制完全不同于常规大通道所致#本文对内径为%#,66!有效加热长度’,66的不锈钢管内进行了去离子水的0W 2实验研究#当量直径%#,66是微通道蒸发器设计中常遇到的典型尺寸!这样尺寸的微通道利用常规的机械加工技术#比如电火花%很容易制造出来#有效加热长度’,66也和电子芯片的长度尺寸相当#实验参数范,),围为!质量流速!,%%"’%%%Z >#$6"%@&’进口压力!"%"!&%Z 47’进口温度从室温到)%n ’相应的0W 2值范围为,%"",%I #B 6"#而且对各参数如质量流速(进口温度等的变化趋势进行了分析’最重要的是对0W 2发生前后动态的传热传质过程进行了分析#对于微通道相变传热’一旦当量直径小于临界当量直径P &%($1#$2X ’2>&<2’表面张力的作用将对通道中的流动和传热产生显著的影响’而流动方向对流动和传热的影响则较小#水在室温下的临界当量直径大约是"66’本文实验的管内径是%#,66’远远小于临界直径#所以本文的0W 2适合于微通道在其他的流动方向下的情况#!!实验系统和装置本实验装置系统如图!所示#主要由供液系统(实验段模块(传感器及数据采集系统(冷凝液计量系统等组成#高压氮气作为压力源’经减压阀和精密调压阀精确控制液体容器的压力#由于连接管的内截面积是实验段内截面积的&’倍’而工质经过冷凝器冷凝后直接排放到处于大气压力下的收集容器’因而实验系统中所有的压差几乎全部消耗在微通道上#液体容器内的液体温度由温度控制单元$温控仪]P/(*%%&精细调节’其控制精度在r %#,n#液体容器内的液体在氮气压力的驱动下’顺序流过调节阀’"#6孔径过滤器进入实验段#经过实验段加热的工质通过冷凝器冷却后成为液体’被玻璃收集容器收集#质量流速由直接称重的方法测量#所有压力(差压(流体进出口温度以及壁面温度信号都接入S >89C =A $’*+%S 高速数据采集系统’采集系统与计算机相连’在屏幕上实时显示并存储动态数据#图!!实验系统图!!实验段结构如图"所示#主体由总长*%66’内径%#,66’外径!#&66的进口高质量不锈钢管$美国.<7>C 9J Z 公司&制成’材料为!0E !)N 8*/8’其有效加热段长度为’,66#将铝在高温下熔化并与不锈钢管浇铸成为一个整体’因而不锈钢与铝块之间的接触热阻较小’可忽略不计#浇铸后的实验件经加工后形成一个外径%"%66的圆柱体#热负荷由紧密缠绕在圆柱体外表面的直径为%#’66的N 8(0E 加热丝提供’形成定热流密度的边界条件#热电偶采用R 型热电偶’精度r %#"n ’在实验件上的布置也如图"所示#不锈钢管与主连接管之间采取适配器与之相连#实验段进出口布置热电偶’压力传感器$@C A E 7@H @A C 6P J D C 9"%&&及差压传感器$34!$%%(34,,5""P ’3!&等#压力传感器和差压传感器的精度分别为r !i 和r %#!i#实验段外覆盖有绝热保温材料’通过单相流动加热条件下的热平衡计算’系统对环境的散热损失小于,i’因此可保证加热热量完全被流动工质所吸收’系统的热损失可忽略不计#&),!第!"卷!第"期!#$$"年"月图"!实验段结构图"!结果和讨论"&!!0R<的关系式在实验段压差为"%!’%和&%Z47!工质进口温度为")!$*!,&和+%n下的各种不同工况的0W2实验数据如表!所示#这里的0W2值是基于有效加热长度为’,#%66的微通道内表面积计算的#当压差和进口温度一定的情况下!质量流速和0W2是一一对应的#在不同进口温度条件下的0W2与质量流速的变化见图$所示#从图$中可以看出!在一定的进口温度条件下!0W2随质量流速的增加而增加#对于给定的质量流速!0W2随进口温度的减小而增加#表!!不同工况下的0R<实验数据工况)8="Z47*)"Z47*8=!!"n!!E"#Z>$6k"$@k!%!*<!"n0W2"#I$B6k"%0W2B!"#I$B6k"%!!"""%#)%"+#*!)*&#&!$)#+!’’#,!#%,$ "!"""!#%)$*#$!*)$#"!$’#&!"&#"!#%)% $!"$"!#$+,,#"!)&&#&!$&#"*&#’!#%!!’!"’"$#%)&*#*!*+,#&!"$#$+"#,!#%’" ,!’"’%#,%")#!"&’!#,!’%#&"%,#+!#’", &!’$’!#%+’%#!"+!+#,!’!#&!++#’!#’’’+!’$’%#$!,,#*",’+#)!’!#*!$"#+!#$$+ )!’’’!#")+!#’")"$#’!"+#’*%#,!#’’" *!&$&%#")$%#*$"!’#)!’&#&"$$#,!#+%! !%!&’&%#%*$)#*$’!,#%!’&#)""!#+!#+)! !!!&’&%#!’,+#%$’)+#’!’’#’!,+#+!#++* !"!&’&%#!)+!#$$,!$#’!$"#&!!’#$!#+&! !!7%0W2B是根据#"%式计算的结果R7A A J&!!’通过实验得到一个关于垂直管内强迫流动沸腾的广义0W2关系式#对于入口为饱和液图#!0R<随质量流速的变化关系体的临界热流密度H6J!O!有如下关联式H6J!OE@X>&%(!%2>2#%X%(!$$!#%b9%($$$!!,%(%%$W"P!#!%式中b9&E"W"12X#I C:C E数%!W是加热长度!@X>为工质气化潜热!1为表面张力!2X及2>为流体和蒸气的密度!P为通道内径!E是质量流速(入口为过冷液体时的临界热流密度H6!O!随入口过冷度的增加而线性增加#所以#!%式修正为( H6!O&H6J!O!,T/O X**@?:!8=@X&’>!#"%式中T为基于实验数据得到的经验常数(T的取值如下式所示(+), !第!"卷!第"期!#$$"年"月12X E "W&$O !%’&时!!!T &!()W "P #$!$%’,2>"2X !12X E "W%$O !%’&时!!!T &%(%+,W "P#$!$%’,2>"2X 12X E "#$W’%(",=>?(#$$E O X 为液体比热容(3*@?:!8=即为进口液体过冷度!定义为3*@?:!8=&*@7A ’*8=(将#"$式的计算结果与本文实验数据相比较!发现相差近两个量级#其原因是#"$式的适用范围是通道长度%#%!6&W &)#)6!通道当量直径%#%%!6&P &%#%$)6!I C :C E 数$l !%’*&!#$b 9&"l!%’"#而本文的微通道当量直径仅为,%%#6!相差近一倍#尤其是I C :C E 数!两者相差近,%倍#因此R 7A A J 公式不能适用于微通道中临界热流密度的预测#文献%!"&也考察了通道直径对临界热流密度的影响!发现直径较小时!临界热流密度可以非常的大!并大约与通道直径成反比#这归因为微通道内特殊的临界热流密度传热机制#鉴于此!我们给出以下新的临界热流密度关联式H 0W 2E @X >&b 9’%("%,’#’$()O !%’’,$(%O !%’,3*@?:!8=$!#’$式中@X >和b 9由进口压力和进口温度来计算#由#’$式的计算值与实验测量值相比!多数点的误差小于!%i#只有0W 2测量值为+"#,和!’’#,I "B 6"时与预测值的最大误差为!+i#注意到0W 2与进口过冷度呈线性关系!但随E %#,)*"的增加而增加#T J <(C E @和%!%&用制冷剂1(!!$为工质在直径"#,’66的圆管和,!%#6的微通道换热器内进行了0W 2的实验研究!由于饱和温度远远低于环境温度!他们没有考虑工质进口过冷度的影响#本文的实验数据对此进行了补充#"&"!临界热流密度出现前后的流动和传热过程数据采集系统详细记录了有关的传热和流动参数!如实验段进出口工质温度!进口压力!实验段压差和壁温#利用这些参数可分析0W 2发生前后的流动和传热过程#由于铝圆柱体的热容相对较大!所以壁温测点*!到**的差别很小!绝大多数情况下小于"n#所以选择**由稳态一维导热方程计算微通道的内壁面温度#图’是当进口工质温度为$*n !实验段压差为"!Z 47时!0W 2出现前后的动态曲线图#0W 2值是!"&#"I "B 6"#从图中可以看出!一旦发生0W 2现象时!实验段压差!进口压力!工质出口温度急剧升高到一个很高的数值!并且产生脉动#同时壁温和工质进口温度也增加!但是质量通量急剧减小#这些在微通道中发生的0W 2现象完全不同于常规尺寸通道#按0W 2发生的时间顺序!依次可分为$个阶段’%&%到%&%0!%&%0到%&%J 和%&%J 到%%%J !物理意义具体解释如下’图$!0R <发生前后的参数随时间的变化#!$0W 2发生前的阶段#%&%&%0$在0W 2发生前!通常是过冷流动沸腾区!具)),!第!"卷!第"期!#$$"年"月体分析时间间隔从%Q!%%@到%Q$%%@的动态过程!发现出口温度信号是周期性脉动的!可以推断出汽弹从实验段的排出也是周期性的!平均时间间隔为&#*@!""%%@内有"*个完整的周期波#!因此!汽弹逸出频率%#!’,W K!由于汽弹的周期性逸出!压差信号也产生脉动#物理解释如下$假定单相液体流经微通道!因为壁温超过产生沸腾起始的值!形成汽泡!由于微通道中毛细力的作用!进而汽泡合并成汽弹#微通道中蒸汽的产生导致实验段压差的增加!一旦汽弹排出微通道!出口热电偶探测出蒸汽温度!所以出口温度有一个急剧增加的正脉冲#另一方面!由于汽弹排出微通道!过冷液体进入微通道!压差有一个急剧下降的负脉冲#理论上说!出口温度和压差信号总是一一对应并且反相#一旦液体进入微通道!一个新的汽泡产生和逸出的过程开始了!并且周期性地重复发生#同时也注意到出口温度的峰值低于相应环境压力下的饱和温度值!这是因为在过冷流动沸腾条件下!工质时均出口温度小于饱和温度造成的#""#0W2发生后的阶段"%0&%&%J #当热流密度快接近0W2时!上述的%周期性过冷流动沸腾&过程可能会因为任何微小的扰动而遭到破坏!例如质量流速的微量减小或加热功率的微量增加#在这样的条件下!就会发生0W2现象#因为在如此高的热流密度下!微通道内产生的蒸汽不能及时有效地排出"蒸汽阻塞#!引起压力和压差的急剧升高!在这样高的压力下!沸腾过程仍然在进行!汽弹也还是周期性地排出微通道!但是由于质量流速的急剧下降!很少甚至没有液体补充进入微通道!如图’所示!0W2现象发生在时刻%&%0#图,是0W2发生后对应于时间%0&%&%J从!&%%’"%%%@的瞬变参数放大图#出口温度以!%!# "n为中心脉动!而这个数值正是对应实验段出口压力下的饱和温度值#蒸汽在微通道中几乎是静止不动的"蒸汽阻塞#!蒸汽周期性地排出实验段!形成出口温度的脉动!如图,中所示的脉冲点#!Y! -#从图中还可以看出!当出口温度形成一个正脉冲时!总是对应压差形成一个负脉冲!而且这两个信号反相#同时还可以注意到连续的两个出口温度的脉冲时间间隔是随0W2发生后的时间而逐渐增加的#这样的过程一直持续到出口过热蒸汽的出现!微通道中充满了过热蒸汽!最后完全被高温的过热蒸汽阻塞#图%!0R<发生后的出口温度和压差信号微通道中0W2发生前后的现象区别在于$ 0W2发生前!流动和传热主要是每个汽泡逸出后液体补充进入微通道的过冷流动沸腾!而0W2发生后!流动和传热是蒸汽阻塞或蒸汽逸出!很少或基本没有液体补充进入微通道#阻塞现象导致了通过微通道的工质质量流速的急剧减小#实验系统所提供的动力不足以克服微通道中蒸汽所产生的阻力#这一点与常规通道的0W2现象有显著的区别#在常规通道中!0W2发生后!质量流速仍可保持不变!0W2仅仅是加热壁面和近壁区液体的%局部&现象#"$#过热蒸汽充满微通道的阶段"%%%J#蒸汽阻塞和周期性的逸出过程一直持续到%&%J 时刻!当%%%J之后!微通道中完全是过热蒸汽!并且向实验段的上游和下游膨胀##!结论以水为工质!在内径%#,66!有效加热长度’,66的不锈钢管内进行了0W2实验研究!结果*), !第!"卷!第"期!#$$"年"月表明0W2随质量流速和进口过冷度的增加而增加#已有的基于宏观尺度建立的临界热流密度公式不能适用微通道中的临界热流密度的预测!因而我们给出了一个新的临界热流密度关系式#本文研究发现!微通道中临界热流密度的诱发机制是蒸汽在微通道内的阻塞效应#实验还发现!微通道内发生临界热流密度前后的传热过程!可以划分为$个阶段#在0W2发生前阶段!主要是一个周期性的过冷沸腾过程!汽泡周期性地逸出微通道!液体周期性地补充进入微通道!出口温度和压差信号反相#一旦0W2发生!进口压力!压差!出口温度急剧增加到一个很高的数值并且发生脉动!质量流速急剧减小!微通道中的流动和传热过程主要是汽泡的逸出而没有液体补充进入微通道#此阶段的出口温度和压差信号反相!汽泡逸出频率相比第一阶段有所减小!进口温度有所增加表明微通道中产生的汽泡同时向实验段的下游和上游膨胀!一直持续到过热蒸汽的出现!微通道完全被蒸汽阻塞!即进入了第三阶段#参!考!文!献!!R C=D799R!M E8X X8A;4!T C E>9C@S!C A79#.6799D876C A C EC X X C B A@ J=8=A C E=79X9J<:J898=>#4E J B C C D8=>@J X S.P5"%%!L P505# N C<b J E Z!N J[C6:C E!!""&"%%!!!"!!"!R7=D98Z7E.#2?=D76C=A798@@?C@E C97A C D A J X9J<:J898=>8= 68=8B;7==C9@7=D68B E J B;7==C9@#5Y O C E86C=A79/;C E6797=D29?(8D.B8C=B C!"%%"!"&#$)*"’%+$!M E J C=C[C9D3!.=J C Z0#S0J6O E C;C=@8[CC Y768=7A8J=J X;C7AA E7=@X C EB J E E C97A8J=@@?8A7:9CX J EE C7B A J E@7XC A H7=79H@8@#P?9A8(O;7@C.B8C=B C7=D/C B;=J9J>H!!*)&!9"#!)!""+’’!R7A A Jb#0E8A8B79;C7A X9?Y#L=A\P?9A8O;7@C29J<!!**’!"% $.?O O9#%#,$"*%,!M;8778@877=.!S:D C9(R;798Z.#/<J(O;7@CX9J<8=68B E J B;7=( =C9@#S D[W C7A/E7=@X C E!"%%!!$’#!’,"",’&!W7993!P?D7<7E L#0E8A8B79;C7A X9?Y$0W2%X J E<7A C E X9J<8= A?:C@(L L@?:B J J9C D B J E E C97A8J=@#L=A\W C7AP7@@/E7=@X C E!"%%%!’$#"&%,""&’%+!b?I!2E7=B C3!I76:@>7=@@P!/<J(O;7@C O E C@@?E CD E J O!:J898=>;C7A A E7=@X C E!7=D B E8A8B79;C7A X9?Y A J<7A C E8=7@6799(D8( 76C A C E;J E8K J=A79A?:C#L=A\P?9A8O;7@C29J<!"%%"!")# *"+"*’!)!.A J D D7E D1!T97@8B ZS!M;877@877=.!C A79#_=@C A J X X9J<8=@A7( :898A H7=D B E8A8B79;C7A X9?Y8=A;8=;J E8K J=A797==?98#5Y O C E86C=( A79/;C E6797=D29?8D.B8C=B C!"%%"!"&#!"!’*!-7=D C E[J E AV!T C E>9C@S!\C=@C=P#S=C Y O C E86C=A79@A?D H J XB E8A8B79;C7A X9?Y8=[C E H;8>;;C7A X9?Y@?:B J J9C D:J898=>#L=A\W C7AP7@@/E7=@X C E!!**’!$+#!&!"!+$!%!T J<C E@T!P?D7<7E L#W8>;X9?Y:J898=>8=9J<X9J<E7A C!9J< O E C@@?E C D E J O68=8(B;7==C97=D68B E J(B;7==C9;C7A@8=Z@#L=A\ W C7AP7@@/E7=@X C E!!**’!$+$"%#$"!"$$"!!!R7A A Jb#S>C=C E798K C DB J E E C97A8J=@J X B E8A8B79;C7A X9?YX J E A;C X J E B C D B J=[C B A8J=:J898=>8=[C E A8B79?=8X J E69H;C7A C D E J?=D A?:C@#L=A\W C7AP7@@/E7=@X C E!!*+)!"!#!,"+"!,’" !"!0C97A7M!0?6J P!P7E87=8S!C A79#L=X9?C=B CJ X B;7==C9D8( 76C A C E J=@?:B J J9C D X9J<:J898=>:?E=J?A7A;8>;;C7A X9?Y C@#L=A \W C7AP7@@/E7=@X C E!$&#$’%+"$’!%% *,!第!"卷!第"期!#$$"年"月。