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微通道流動(dòng)沸騰中表面張力的關(guān)鍵作用機(jī)制研究(三)

來源:《江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》 瀏覽 352 次 發(fā)布時(shí)間:2026-01-26

2.4表面張力對(duì)換熱特性的影響


微通道內(nèi)的汽液兩相流動(dòng)與其換熱特性密切相關(guān),沿流動(dòng)方向的加熱壁面溫度Tw、Nu分布常用于表征流動(dòng)沸騰過程中汽液兩相流的換熱特性。下面從Tw、Nu沿流動(dòng)方向的變化以及微通道內(nèi)的局部過熱分布等方面研究表面張力對(duì)換熱特性的影響。


t=40 ms時(shí)刻,Tw、Nu的分布分別如圖7,8所示(不包括Tw>395 K,Nu>68以及異常過熱點(diǎn)的值),圖8中Nu按文獻(xiàn)[11]提出的公式計(jì)算得出。

圖7加熱壁面溫度沿流動(dòng)方向的變化(t=40 ms)


從圖7可以看出:對(duì)應(yīng)3種σ,從入口至11 mm區(qū)域內(nèi),Tw都呈上升趨勢(shì),逐漸增大至379 K左右(圖7中Tw=379 K紅色虛線處);在11 mm之后的區(qū)域,Tw出現(xiàn)波動(dòng),且差異明顯。σ=0.035 N·m?1時(shí),Tw波幅最小,超過90%的Tw均為379~384 K,而σ=0.059 N·m?1時(shí),Tw的波幅達(dá)19 K。

圖8加熱壁面Nu沿流動(dòng)方向的變化(t=40 ms)


從圖8可以看出:對(duì)應(yīng)不同σ,沿流動(dòng)方向的0~11 mm區(qū)域,Nu均呈下降趨勢(shì);在11 mm至出口處,Nu則出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)。與σ=0.059 N·m?1相比,σ=0.035 N·m?1對(duì)應(yīng)的Nu的波動(dòng)幅度降低近70%,約95%的Nu為12~24。可見,表面張力σ對(duì)沿通道11~20 mm區(qū)域的Tw和Nu的波動(dòng)及其程度有較大影響,減小σ,彈狀流向拉伸汽泡流的轉(zhuǎn)變滯后,且汽泡尺寸減小,汽液兩相流動(dòng)穩(wěn)定性增加,相應(yīng)地,Tw和Nu的波幅減小,換熱也相對(duì)穩(wěn)定。此外,相對(duì)于起初階段的泡狀流區(qū)域,彈狀流和拉伸汽泡流的換熱惡化,影響換熱的可靠性。微通道內(nèi)汽液兩相流的不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致通道局部過熱(尤其是彈狀流、拉伸汽泡流階段)。


t=40 ms時(shí),距離入口9~15 mm處通道內(nèi)的溫度分布云圖如圖9所示。

圖9距離入口9~15mm通道內(nèi)的溫度分布(t=40 ms)


從圖9可以看出:σ=0.035 N·m?1時(shí),通道內(nèi)存在3處局部異常過熱(圖9中綠色區(qū)域,該處指T>400 K的情況);而σ=0.059 N·m?1時(shí),通道內(nèi)異常過熱區(qū)域則增加至8處(圖9c)。圖9d中I,II分別對(duì)應(yīng)圖9a中I處、圖9c中II處的溫度等值線圖。比較σ分別為0.035,0.059 N·m?1這2種情況,最高過熱度ΔT從600 K飚升至1200 K,圖9a中III處的壁面及流體的溫度為373~392 K(圖9d),ΔT最高僅為20 K。汽泡與壁面之間的液體微層是決定通道內(nèi)是否局部異常過熱的根本原因。微通道內(nèi)汽泡的形態(tài)如圖10所示。

圖10微通道內(nèi)汽泡的形態(tài)


圖10a中汽泡與加熱壁面間存在一定厚度的液體微層,由壁面導(dǎo)出的熱量使微層內(nèi)的液體迅速汽化,吸收汽化潛熱,實(shí)現(xiàn)熱質(zhì)的快速遷移。因此,壁面不會(huì)出現(xiàn)局部異常過熱(圖9d中III處);圖10b則不同,汽泡與壁面間的液體微層不連續(xù),局部出現(xiàn)缺液,發(fā)生干涸,汽相充斥于壁面附近,近壁區(qū)傳熱熱阻顯著增加,導(dǎo)致壁面熱量難以轉(zhuǎn)移,壁溫迅速升高,以局部干涸點(diǎn)處的壁溫為溫度最高點(diǎn),向鄰近區(qū)域發(fā)生熱量擴(kuò)散,形成圖9d中I,II處的溫度梯度。比較發(fā)現(xiàn):相對(duì)于σ為0.059 N·m?1,σ為0.035 N·m?1時(shí)微通道內(nèi)的局部異常過熱區(qū)域減少約3/4,最高過熱溫差ΔT降低約600 K,換熱更可靠、安全。


3結(jié)論


1)表面張力不同,微通道內(nèi)的汽泡演變和汽液兩相流型發(fā)展有所差異,但沿流動(dòng)方向均依次呈現(xiàn)泡狀流、彈狀流與拉伸汽泡流等汽液兩相流型的發(fā)展規(guī)律,對(duì)應(yīng)較小的表面張力,彈狀流向拉伸汽泡流的轉(zhuǎn)變相對(duì)延遲,拉伸汽泡的長度縮短近1/2,有利于維持汽液兩相流動(dòng)的穩(wěn)定性。


2)汽泡演變引起的擾動(dòng)、漩渦和汽塞及汽液兩相速度分布不均是汽液兩相流流動(dòng)不穩(wěn)定的主因。減小表面張力,汽液兩相的壓降波動(dòng)幅度降低約2.1 kPa,汽液兩相流的流動(dòng)穩(wěn)定性提高。


3)相對(duì)于初始的泡狀流區(qū)域,彈狀流和拉伸氣泡流區(qū)域的換熱惡化,表面張力對(duì)彈狀流、拉伸汽泡流階段的壁溫、Nu的波動(dòng)及其程度有較大影響,減小表面張力,加熱壁面的壁溫、Nu的波動(dòng)幅度減小,換熱穩(wěn)定性增強(qiáng);與σ=0.059 N·m?1相比,σ=0.035 N·m?1對(duì)應(yīng)的微通道內(nèi)的局部異常過熱區(qū)域(壁溫超過400 K的區(qū)域)減少約3/4,最高過熱溫差降低約600 K,換熱更可靠、安全。


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