《微通道氣液界面波不穩定性及其對沸騰換熱影響機理》是依託上海交通大學，由耑銳擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：微通道氣液界面波不穩定性及其對沸騰換熱影響機理
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：耑銳
- 依託單位：上海交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
微通道強化傳熱可滿足緊湊型高冷卻能力換熱器的需求，其研究受到廣泛關注，氣液界面波的不穩定性對熱質傳輸的影響是其中關鍵問題之一。在微通道氣液兩相流中，氣液界面的波動失穩直接影響到流型轉變和傳熱傳質過程，而界面力的作用以及擾動的影響，使得氣液界面波動的物理機理甚為複雜。項目採用Galerkin-有限元方法計算複雜邊界條件下界面波動與失穩後的演變，結合理論分析和實驗，掌握界面波結構和波動參數變化規律，得到流型轉變的參數判別依據，分析界面波不穩定性與液膜傳熱的相互影響機制。其次，針對微通道近臨界熱流密度下氣液界面形態以及臨界沸騰形成機制，建立沸騰臨界熱流的理論分析方法，揭示近臨界熱流密度下氣液界面波結構和失穩過程以及傳熱過程，通過理論分析結合實驗研究揭示界面波不穩定性與液膜潤濕對CHF的影響機理。研究結果對微尺度氣液兩相流動換熱的不穩定性問題有理論意義，為微通道強化換熱工程設計提供理論基礎。
結題摘要
微通道強化傳熱可滿足緊湊型高冷卻能力換熱器的需求，其研究受到廣泛關注，氣液界面波的不穩定性對熱質傳輸的影響是其中關鍵問題之一，而氣液界面波動的物理機理甚為複雜。項目結合理論分析和實驗，分析界面波不穩定性與液膜傳熱的相互影響機制；揭示界面波不穩定性與液膜潤濕對CHF的影響機理。研究結果為微通道強化換熱工程設計提供理論基礎。主要研究內容和結論如下： 1.1 通過模擬分析，研究氣液界面波動對微通道流型演變以及沸騰流動換熱機制的主導作用。分析相界面剪下力，氣相拖曳力和渦擾動對界面波動的影響，以及導致的流型轉變。 界面波及其不穩定性主導了束狀流-環狀流以及波狀流-環狀流的換熱機理，即對流沸騰主導換熱。界面波動通過幾種方式強化了換熱：增大氣液相界面積，由於界面波快速傳遞而減少液膜厚度，由於界面剪下力和氣相拖曳力卷攜液膜和液滴沉積。對於束狀流-環狀流，當熱流持續增大，沉積液滴蒸乾耗盡時，蒸乾區擴展，直接觸發CHF。 1.2建立了水平矩形微小通道內氣液兩相傳熱流動的雙流體模型，對通道內液膜波動的穩定性進行了線性分析。研究了氣體流速，相界面蒸發速度，表面張力以及通道尺寸對界面波的影響。討論了在蒸發、冷凝環狀流，彈狀流流型下各因素的作用機制。對於微通道內的冷凝環狀液膜流動，液膜厚度不斷增加，微通道的尺度效應得以凸顯，界面波動產生和發展會引起液膜閉合成為液橋，使得流型從上游的環狀流變成下游的彈狀流或泡狀流。 1.3以氨為工質進行了平行微小通道沸騰換熱兩相流型及界面波動的可視化研究。微通道內周期性性返流引起的界面波動較小時，界面波很快衰減消失，形成穩定光滑的液膜流動。當波動較大時，界面波動可以觸發流型的轉變並進一步造成並行通道的流動失穩，形成微通道內的高頻壓力波動。在低頻壓力波動結束時，來流液體在推擠相界面進入通道時，由於界面波動的存在，使得液相進入各通道的時間並不同步，並造成流型的不同步轉變，這也會引起高頻的壓力波動。通過小波變換的分析，確定了高頻壓力波動與微通道內的低頻壓降波動的耦合形式。 1.4 設計了陣列式微通道熱沉結構，進行了R134a的沸騰流動換熱實驗。在低乾度區域和高幹度區域以對流沸騰和蒸發為主導換熱機理；有效抑制壓力波動，減小進出口壓力差。實驗觀察發現攪拌流/束狀流型，氣液界面波失穩導致液膜破碎和卷攜。當熱流持續增大，壁面附著氣膜，形成反束狀流型時，觸發CHF。
