微通道内流动沸腾不稳定性影响因素实验研究

微通道沸腾不稳定性降低设备运行性能及传热特性。设计入口集成种子汽泡发生器的三角形硅基微通道热沉。搭建同步光学可视化测量实验台。研究加热膜长度、质量流量及种子汽泡触发频率对微通道内沸腾不稳定性及传热影响。结果表明:加热膜长度和质量流量作为控制沸腾不稳定性的关键参数,加热膜长度越长或质量流量越低,沸腾起始点和临界热流密度越早发生。单相液体区域,热流密度增大,压降略微降低,温度线性升高。汽液两相区域,热流密度增大,压降迅速增大,温度呈指数式上升。触发种子汽泡作为一种主动式控制技术,沸腾不稳定性得到抑制或消除,换热得到显著增强,是一种值得推广的技术。

微通道内种子汽泡抑制沸腾不稳定性研究

搭建同步光学可视化实验台，以并联三角形微通道硅基热沉为实验段，微通道人口玻璃盖板内侧溅射5个Pt微加热器构成种子汽泡发生器阵列。研究了低人口质量流量下不同种子汽泡触发频率对微通道内沸腾不稳定性的影响。实验结果表明，种子汽泡触发频率作为控制微通道内流动沸腾不稳定的重要参数，单相液体区域，种子汽泡对微通道内流动影响很小；两相区域，随着热流密度增大，压降呈线性上升，壁面温度呈指数式上升。触发频率越高，压降越高，壁面温度下降越大。相同热流密度条件下，高频种子汽泡能够完全消除沸腾不稳定性，壁面温度显著下降，温度均匀性得到明显提升。

流动沸腾不稳定性对加热膜上微汽泡的影响

The microbubble behavior on platinum microheaters immersed in parallel microchannels during flow boiling was experimentally investigated,with the heater driven by pulse-heating.With increasing heat flux of rear face heater,three representative types of microbubbles,corresponding to three instable tendencies were identified.The relations between boiling instability and bubbles behavior were analyzed.The conclusions indicated that transitions among these bubbles and various departure modes strongly depended on the instability of flow boiling in microchannels.Meanwhile,heating power of the rear face heater was also one of the main factors that affected bubbles incipience and diameters.The results of present study can provide powerful basis for the future design of new micro-fluid functional devices.

脉冲热控下微尺度沸腾不稳定性实验

微通道沸腾不稳定性引起传热恶化,造成设备疲劳损坏。设计入口集成种子汽泡发生器的并行三角形硅基微通道热沉,搭建同步可视化测量实验台。研究高热流密度下不同触发频率种子汽泡抑制微通道内流动沸腾不稳定性,验证种子汽泡主动式控制微通道内沸腾不稳定性的思路。实验结果表明,种子汽泡可有效抑制微通道内沸腾不稳定性,降低壁面温度,将微通道内混乱无序的汽泡动力学转换为规则有序的汽泡动力学。低频下,种子汽泡热控能够有效抑制压力和温度波动;高频下,沸腾不稳定性得到完全抑制,加热膜上温度均匀性得到明显改善,换热显著加强。

微通道内种子汽泡抑制沸腾不稳定性研究

两相流动不稳定性是在各种水力学直径通道内所遇到的复杂现象，这些不稳定性对热能系统可能造成有害影响。本文以丙酮为工质，在微通道入口处设置微汽泡发生器，采用脉冲电压激励产生可控微汽泡，以微汽泡为种子尝试对通道内沸腾不稳定性的控制。实验研究表明，低频种子汽泡热控能够减轻各参数的脉动幅度；高频种子汽泡热控能彻底抑制沸腾不稳定性。本研究结果为解决微通道内沸腾不稳定性提供了一种崭新有效的手段。

短程逆流式微通道内的流动沸腾传热特性实验研究

微通道内的流动沸腾被公认为是一种极具潜力的高功率密度微电子设备/器件散热技术,但微通道的极限散热能力依赖于其下游的状态。为了进一步提升流动沸腾过程的传热特性并从根本上解决下游过早干涸的问题,基于逆流式微通道的概念,将传统顺流平行微通道(CPM)分为两段,提出并设计了短程逆流式微通道(SFCM)。实验研究了去离子水在质量流速为118~219 kg/(m^(2)·s)时,过冷度为50℃下的流动沸腾传热特性,并与传统顺流平行微通道的实验结果进行了对比。研究发现,与传统顺流平行微通道相比,短程逆流式微通道的临界热通量(CHF)和平均传热系数(HTC_(ave))分别实现了160.6%~204.4%和91.2%~115.4%的提升。同时,相较于传统顺流平行微通道,短程逆流式微通道的压降和泵功分别降低了76.9%~80.4%和44.9%~48.2%。更重要的是,短程逆流式微通道实现了沸腾不稳定性的有效抑制。

微通道中纳米流体流动沸腾换热性能研究

为研究微通道中纳米流体流动沸腾的换热性能,设计了一种水力直径为143μm的矩形硅基微通道,搭建了研究微通道中纳米流体流动沸腾换热的高速测量和光学可视化实验平台。研究了质量分数为0.2%的Al2O3纳米流体及纯水在微通道中的流动沸腾换热性能。通过比较在两种换热工质中系统压降和壁温,并结合流型的同步变化分析了纳米流体的流动沸腾换热性能。结果表明:纳米粒子的加入会使微通道中流动沸腾时流型发生变化,以小气泡和泡状流为主。通道沸腾换热得到加强,壁温和系统压降波动幅度减小,出现沸腾不稳定性时的热流密度升高,系统的OFO(onset of flow oscillation)点明显后移,系统稳定沸腾区域增大。采用纳米流体做工质不仅对于微通道中流动沸腾不稳定性具有抑制作用,而且能够改善微通道中流动沸腾时的流动和换热性能。

自然循环流动沸腾逆流实验研究

为了研究加热通道中逆流的特征和机理,本文进行了低压高入口过冷度下的自然循环实验。通过采用逐渐增加实验热流密度的方法,在自然循环流动沸腾实验中识别了3种自然循环模式:稳态自然循环、流动不稳定性(无逆流)和逆流。对比实验热流密度和经验关系式计算的临界热流密度预测值,解释了逆流的机理:流动不稳定性诱发了间歇干涸型沸腾临界,间歇干涸导致了逆流的产生。分析了自然循环工况和回路结构对逆流的影响,并结合实验段出口水温波动、壁温分布和间歇干涸的发生建立了流动不稳定性工况下实验段内的流型,单相流体和两相混合物的交替通过加热段出口。本文给出不同热流密度下的自然循环模式,可为自然循环系统的设计和安全分析提供参考。

不同工质下带蒸汽腔的?形微通道热沉特性

借鉴轴向槽道热管结构在工作时良好的气、液分离工作特性,本文提出了一种带蒸汽腔的复合微通道热沉,用以解决大面积或高热流能量收集时热沉通道内部由于排气不畅易导致气塞和返流现象,进而出现流动沸腾不稳定性问题和传热恶化的问题。热沉底板包含20个?形平行通道,肋顶端与盖板下表面间形成连通的蒸汽腔作为两相流时的气体流道。实验以无水乙醇、Novec HFE 7100为工质,并结合可视化观测对热沉性能进行了研究,可以观察到随加热热流密度逐步增加,热沉内部工质依次经强制对流到过冷沸腾、核态沸腾,并最终达到过渡沸腾,可视化实验结果与温度测量结果相吻合。当使用乙醇为工质,在入口质量流速qm=280.37kg/(m2·s)、加热热流密度qeff=30.32W/cm2时,最大传热系数为9494W/(m·℃)。此种结构在有效地保证了热沉换热效果的同时,通过分离气、液流道对抑制流动沸腾不稳定性有明显效果。

微通道人工泡状流的Lattice Boltzmann数值模拟

采用高频电控热激发汽泡的方式构造微通道人工泡状流,可以有效抑制微通道沸腾流动的不稳定性和强化传热。本文基于Lattice Boltzmann大密度比多相流复合模型,数值研究了通道内人工泡状流的流动和传热,通过比较分析不同发泡频率的泡状流,量化分析了汽泡运动和增长对微通道流动与传热的相互影响。一方面着重分析了汽泡运动对微通道运动边界层以及汽泡相变增长对热边界层的影响,另一方面也研究了边界层对汽泡动力行为的影响,所得结论对研究抑制微通道沸腾流动不稳定性和强化传热有参考意义。

低压自然循环复合流量脉动实验研究

在低压流动沸腾不稳定性实验中,研究了自然循环流动在不同入口过冷度下的演化过程。对实验中的流动沸腾不稳定性入口流量信号进行快速傅里叶变换,基于振幅和频率特性区分了3种流动脉动模式:小幅流量脉动、复合流量脉动和逆流。分析了加热功率和入口过冷度对自然循环不稳定性的影响。根据加热段出口水温变化得到了出口的流型变化,当流量波动振幅较小时加热段出口流体始终是饱和状态,而当流量波动振幅较大时,加热段出口为单相液体和两相混合物交替通过。给出了这3种流量脉动的边界图,分析了热流密度和入口过冷度对流量脉动模式的影响。结果表明:出口含气率大于0时发生流动不稳定性,热流密度达到间歇干涸型临界热流密度时发生逆流。

针肋表面分布式射流沸腾汽泡动力学特性

本文建立了两相泵流体回路,设计了可视化分布式射流沸腾实验测试段,研究了针肋表面上不同热流密度下的汽泡动力学特性。结果表明:汽泡率先在回流孔正下方区域产生,随着热流密度的提高向射流孔下方扩展,在核态沸腾中后期,会出现沸腾不稳定,并且伴随进出口压力的大幅波动,但当进一步提高热流密度后,沸腾重新回归到稳定状态。

Experimental Investigation of Boiling Two-phase Flow Instability of Nitrogen in a Vertical Tube

Boiling flow instability of nitrogen in a vertical tube is experimentally investigated in the present study. The experiments reveal that pressure has a significant effect on the characteristics of the heat flux-mass flux type boiling flow instability.First.the pressure has strong effects on both the developing time and the fluctuation amplitude.Especially increasing pressure leads to decrease the fluctuating amplitude of mass flux.Then,the mass flux evolving curves under different pressures feature out a shape like a leaf.The characteristics of the heat flux-mass flux type boiling flow instability under lower pressure are very complicated,however,with increasing pressure,this type of instability is gradually suppressed.