微通道表面活性劑水溶液流動沸騰特性的數(shù)值模擬.pdf

1、為滿足高集成度微電子器件散熱需求，微通道內(nèi)流動沸騰換熱的冷卻方式現(xiàn)已成為流動沸騰傳熱領(lǐng)域的研究熱點。微通道內(nèi)流動沸騰換熱兼具微尺度效應(yīng)與沸騰傳熱的特點，雖經(jīng)國內(nèi)外多年研究，目前微通道流動沸騰傳熱課題中仍有諸多問題和難點尚未解決。其中，兩相流動不穩(wěn)定和傳熱惡化的問題，成為制約其應(yīng)用的重要因素。研究發(fā)現(xiàn)，添加表面活性劑的水溶液會改變其本身的物性，影響沸騰過程中的汽泡行為，對流動沸騰的兩相流動和傳熱有一定改善。因此，對表面活性劑水溶液在微通道

2、內(nèi)流動沸騰的研究具有重要意義。
　　本文利用CFD軟件，圍繞表面活性劑水溶液在矩形微通道內(nèi)的流動沸騰，對其流動穩(wěn)定性和傳熱可靠性開展了數(shù)值模擬研究，重點研究水溶液表面張力系數(shù)（表面張力）改變對維持核態(tài)沸騰，提高傳熱可靠性的作用。首先，分析不同熱流密度和入口流速的工況下，汽液兩相流中汽泡演變與流型發(fā)展、汽液兩相流穩(wěn)定性的基本特征;其次，針對不同濃度表面活性劑水溶液，分別從汽泡行為與兩相流型、汽液兩相流動的穩(wěn)定性及傳熱可靠性三個方面，

3、分析表面張力對矩形微通道內(nèi)表面活性劑水溶液流動沸騰的影響規(guī)律。主要研究結(jié)論有:
　　(1)表面活性劑水溶液在微通道內(nèi)發(fā)生流動沸騰時，加熱面熱流密度q增加，流型轉(zhuǎn)變提前，出口流速、壓降的波動幅度均增大，q從50kW/m2升高至400kW/m2，出口流速波動范圍由0.5～0.65m/s增加至2.65～3.3m/s;壓降波動范圍由0.3～2kPa增長至4.7～8.7kPa。入口流速增加，流型轉(zhuǎn)變推遲，出口流速及壓降的波動幅度均減小，當入

4、口流速由0.141m/s增加到0.7m/s時，出口流速波動范圍由1.9～2.5m/s降低至1.55～1.65m/s;進出口壓降波動隨入口流速增大而減小。分析表明，提高熱流密度會加劇兩相流動的不穩(wěn)定性;增加入口流速，可使兩相流穩(wěn)定性提高。
　　(2)不同表面張力σ，微通道內(nèi)汽液兩相流型發(fā)展有所差異，但均沿流動方向依次呈現(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。與σ=0.0589N/m相比，σ=0.035N/m時，汽泡間發(fā)

5、生聚并的幾率降低，相鄰汽泡間的間距均勻，單個拉伸汽泡的長度縮短近1/2，拉伸汽泡與壁面之間的液膜完整，且液膜厚度均勻、無波動現(xiàn)象，彈狀流向拉伸汽泡流的轉(zhuǎn)變相對延遲。
　　(3)在兩相流動穩(wěn)定性方面，相對于提高入口流速，減小表面張力對兩相流動不穩(wěn)定的改善不會增加功耗。拉伸汽泡流階段是否發(fā)生汽塞對汽液兩相流動的進出口壓降有重要影響，與σ=0.0589 N/m相比，σ=0.035 N/m時，拉伸汽泡流階段基本不發(fā)生汽塞，進出口壓降的波動

6、幅度最小，汽液兩相流的流動穩(wěn)定性明顯提高。
　　(4)在沸騰傳熱可靠性方面，表面張力σ較小時，加熱面壁溫及努謝爾特數(shù)Nu的波動幅度均減小。與σ=0.0589 N/m相比，σ=0.035 N/m時拉伸汽泡流區(qū)段加熱面壁溫及Nu數(shù)的波動幅度均降低70％。在相同的熱流密度q和入口流速uin工況下，減小σ能夠顯著減少微通道內(nèi)過熱點數(shù)量以及最高過熱溫度，當q=200 kW/m2，uin=0.5m/s時，與σ=0.0589 N/m相比，σ=0