硅微通道冷凝相变流动与换热研究
Experimental Research on Steam Condensation Flow and Heat Transfer in Silicon Microchannels
目前关于微通道内凝结换热现象的研究主要还是针对普通毫微米级小通道,而对当量直径小于200μm的亚微米芯片微通道中凝结流型演变规律、换热及阻力特性的研究则还十分罕见,这直接影响了微型芯片换热器的设计开发,以及对更小尺度范围凝结现象及规律的深入揭示.针对这一现状,本论文运用高速显微可视化技术和多通道同步测量技术,对刻蚀在硅片上的梯形截面微通道(水力直径分别为53.0μm、77.5μm、93.0μm、128.5μm)中的凝结流型演变规律、换热特性和阻力特性进行了全面系统的研究,得到了一些发现和结论.研究发现,微通道全凝结会经历雾状流、环状流、喷射流、塞状流和泡状流的流型演变过程,同时发现喷射流现象在微通道凝结相变过程中的普遍存在性,在此基础上,对喷射流的发生机理进行了分析和揭示;对喷射流发生频率进行了观测,发现其与蒸汽流量和微通道水力直径之间存在密切联系;对喷射流发生的位置进行了观测研究,发现蒸汽入口Re数、Ja数和微通道水力直径对其有重要影响,并得到了可以预测喷射流发生位置的准则关联式,该关联式同时可用于对微通道环状流区与塞泡状流区的界定.通过微通道沿程壁面温度的测量和同步可视化技术,发现喷射流发生附近壁面温度会发生剧烈变化,在喷射流上游的雾状流和环状流区域壁面温度较高,在下游的塞泡状流区域温度较低且变化平坦,因此可以通过对微通道壁面温度的测量来确定喷射流的位置,从而得出环状流和塞泡状流的出现范围.对硅片微通道内凝结换热特性的研究发现,微通道凝结换热性能与蒸汽入口Re数、Ja数和微通道水力直径有重要联系.相同条件下,微通道冷凝换热性能随Re数、Ja数、水力直径的增加而增强,并得出了硅微通道冷凝换热平均Nu数的准则关联式和适用范围.对硅片微通道内阻力特性的研究发现,蒸汽入口Re数、Ja数和微通道水力直径对冷凝流动阻力有着重要影响.相同条件下,微通道冷凝换热摩阻系数Φ2Lo随Ja数的增加而增加、却随Re数、水力直径的增加而减小,并得出了摩阻系数Φ2Lo的准则关联式和适用范围.研究还发现,当微通道入口蒸汽有间隙性液滴携带进入时(即入口蒸汽管道未能得到有效保温),会导致微通道喷射流前后壁面温度出现间隙性的反向波动,论文对这一非稳定现象进行了分析,并指出微通道试验过程中做好入口蒸汽保温工作十分重要.本文得到的发现和结论,对认识亚微米芯片微通道中的凝结相变流动特性及换热规律具有重要意义.
- 作者：
- 蔚萌萌
- 学位授予单位：
- 上海交通大学
- 专业名称：
- 工程热物理
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2007年
- 导师姓名：
- 吴慧英
- 中图分类号：
- TK124
- 关键词：
- 冷凝换热；微通道；可视化；两相流；喷射流；摩阻系数
- condensation heat transfer； microchannels； visualization； two-phase flow； injection flow； friction factor
- 基金项目：
- 国家自然科学基金