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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(jiàn)，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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)熱區(qū)域減少約3/4，最高過(guò)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(zhǎng)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(guò)熱區(qū)域(壁溫超過(guò)400 K的區(qū)域)減少約3/4，最高過(guò)熱溫差降低約600 K，換熱更可靠、安全。