微通道气液界面波不稳定性及其对沸腾换热影响机理

Researchers have paid more attention to micro-channel enhanced heat transfer, which can dissipate high heat fluxes and be used for compact heat exchangers. Effects of instability of vapor-liquid interfacial waves on heat and mass transport are crucial problems in micro-channel two-phase flow. Due to the complication of force action along interface and disturbance, the mechanism of interfacial fluctuation is intricate. The primary goal of the present study is to develop a theoretical method for interfacial wave behavior under actions of complex boundary conditions. Through the Galerkin-finite element method, analysis and experiments, we want to cognize interfacial wave structure and parameter variance, give critical parameters for flow pattern transitions, and analyze interactions between interfacial waves and heat transport. Second, it is unclear about interface instability during CHF and mechanism of CHF transition. We aim at developing theoretical analysis about boiling CHF. Therefore, we can illustrate interfacial wave regime and instability as well as heat transport during critical heat flux transition. Through theoretical analysis and experiments, we can discover actions of interfacial instability and wettability of channel wall on CHF. The contribution of this study to the instability of micro-channel two-phase flow is evidenced. The results can be used for engineering design of micro-channel enhanced heat transfer.

微通道强化传热可满足紧凑型高冷却能力换热器的需求，其研究受到广泛关注，气液界面波的不稳定性对热质传输的影响是其中关键问题之一。在微通道气液两相流中，气液界面的波动失稳直接影响到流型转变和传热传质过程，而界面力的作用以及扰动的影响，使得气液界面波动的物理机理甚为复杂。项目采用Galerkin-有限元方法计算复杂边界条件下界面波动与失稳后的演变，结合理论分析和实验，掌握界面波结构和波动参数变化规律，得到流型转变的参数判别依据，分析界面波不稳定性与液膜传热的相互影响机制。其次，针对微通道近临界热流密度下气液界面形态以及临界沸腾形成机制，建立沸腾临界热流的理论分析方法，揭示近临界热流密度下气液界面波结构和失稳过程以及传热过程，通过理论分析结合实验研究揭示界面波不稳定性与液膜润湿对CHF的影响机理。研究结果对微尺度气液两相流动换热的不稳定性问题有理论意义，为微通道强化换热工程设计提供理论基础。

微通道强化传热可满足紧凑型高冷却能力换热器的需求，其研究受到广泛关注，气液界面波的不稳定性对热质传输的影响是其中关键问题之一，而气液界面波动的物理机理甚为复杂。项目结合理论分析和实验，分析界面波不稳定性与液膜传热的相互影响机制；揭示界面波不稳定性与液膜润湿对CHF的影响机理。研究结果为微通道强化换热工程设计提供理论基础。主要研究内容和结论如下：.1.1 通过模拟分析，研究气液界面波动对微通道流型演变以及沸腾流动换热机制的主导作用。分析相界面剪切力，气相拖曳力和涡扰动对界面波动的影响，以及导致的流型转变。.界面波及其不稳定性主导了束状流-环状流以及波状流-环状流的换热机理，即对流沸腾主导换热。界面波动通过几种方式强化了换热：增大气液相界面积，由于界面波快速传递而减少液膜厚度，由于界面剪切力和气相拖曳力卷携液膜和液滴沉积。对于束状流-环状流，当热流持续增大，沉积液滴蒸干耗尽时，蒸干区扩展，直接触发CHF。.1.2建立了水平矩形微小通道内气液两相传热流动的双流体模型，对通道内液膜波动的稳定性进行了线性分析。研究了气体流速，相界面蒸发速度，表面张力以及通道尺寸对界面波的影响。讨论了在蒸发、冷凝环状流，弹状流流型下各因素的作用机制。对于微通道内的冷凝环状液膜流动，液膜厚度不断增加，微通道的尺度效应得以凸显，界面波动产生和发展会引起液膜闭合成为液桥，使得流型从上游的环状流变成下游的弹状流或泡状流。.1.3以氨为工质进行了平行微小通道沸腾换热两相流型及界面波动的可视化研究。微通道内周期性性返流引起的界面波动较小时，界面波很快衰减消失，形成稳定光滑的液膜流动。当波动较大时，界面波动可以触发流型的转变并进一步造成并行通道的流动失稳，形成微通道内的高频压力波动。在低频压力波动结束时，来流液体在推挤相界面进入通道时，由于界面波动的存在，使得液相进入各通道的时间并不同步，并造成流型的不同步转变，这也会引起高频的压力波动。通过小波变换的分析，确定了高频压力波动与微通道内的低频压降波动的耦合形式。.1.4 设计了阵列式微通道热沉结构，进行了R134a的沸腾流动换热实验。在低干度区域和高干度区域以对流沸腾和蒸发为主导换热机理；有效抑制压力波动，减小进出口压力差。实验观察发现搅拌流/束状流型，气液界面波失稳导致液膜破碎和卷携。当热流持续增大，壁面附着气膜，形成反束状流型时，触发CHF。