基于汽泡动力学的微通道沸腾流动不稳定性研究

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1、基于汽泡动力学的微通道沸腾流动不稳定性研究重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：李鹏斐指导教师：潘良明教授专业：动力工程及工程热物理学科门类：工学重庆大学动力工程学院二O一五年五月StudyonflowboilinginstabilityinrectangularmicrochannelbasedonbubbledynamicsAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheMaster

2、’sofEngineeringByPengfei-LiSupervisedbyProf.Liangming-PanSpecialty:PowerEngineeringandEngineeringThermophysicsSchoolofPowerEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaMay,2015重庆大学硕士学位论文中文摘要摘要相变换热作为一种更为高效的冷却方式被广泛应用于工业生产的各个方面，电子冷却应用中微通道的相变冷却过程中易出现流动不

3、稳定性现象，因此关于该问题的研究越来越受到国内外学者的重视。本文搭建了一套适合于研究微通道内流动沸腾现象的实验系统，并通过电火花加工技术加工了包含有14条并行矩形微通道的热沉实验段，单条微通道的水力直径小于200μm。借助于可视化观测和多参数同步测量技术以去离子水为工质，对平行微通道内的流动不稳定性进行了实验研究，然后综合可视化结果及温度、压力、压差、流量等参数测量结果进行了理论分析，期望丰富对平行多微通道内的流动不稳定性现象的认识。通过对压降—流量特性曲线的分析研究了工况参数对平行微多通道静态流动

4、不稳定起始点（OFI点）的影响，结果表明：（1）进口过冷度一定的情况下，随着热流密度的增大，压降—流量特性曲线的最低点静态流动不稳定起始点（OFI点）会向质量流速大的方向移动。热流密度一定的条件下，随着入口过冷度的提高，压降—流量特性曲线的最低点静态流动不稳定起始点(OFI点)会向质量流速大的方向移动。（2）针对平行微多通道动态流动不稳定性所关注的温度、压力等参数的震荡特性的研究中发现：在热流密度和入口温度一定的条件下，随着质量流速的降低，系统由稳定沸腾模式进入非稳定沸腾模式，压降的波动幅值逐渐增大

5、。结合可视化结果对稳定沸腾模式及非稳定沸腾模式下的流型以及参数波动情况进行了分析，发现在稳定沸腾阶段的小汽泡一般不能持续长大，而是在来流液体较大惯性力的作用下被冲向通道下游。尽管在质量流速较小的情况下也有汽泡聚合形成的拉长汽泡的出现，但是不足以阻止来流液体进入通道因而只会引起进口压力小幅度波动。在非稳定沸腾阶段，由于壁面过热度较高，来流液体惯性力相比稳定流动沸腾模式下较小，汽泡快速生长到通道尺寸大小，并受到壁面的挤压作用堵塞通道甚至产生汽核倒流现象，或者汽泡在拉长过程中很快与周围汽泡聚合形成较大的汽

6、核阻止液体进入通道，这样周期性的汽液交变流动造成进出口压力周期性的波动。汽核堵塞通道甚至汽核倒流和液体回冲现象的出现造成通道内液相/汽相的交变流动，从而引起进口压力的大幅度波动。本文对于微通道内的汽核倒流和液体回冲现象所引起的参数波动进行了分析，建立了一个简单的矩形微通道内的基于汽核倒流现象发生时引起进口压力波动的数学模型。该模型假设汽泡在矩形微通道内的生长过程分为三个阶段，即自由生长阶段、部分受限生长阶段和完全受限生长阶段。在汽泡完全受限阶段当汽泡长度拉长到一定程度时会出现汽泡的倒流I重庆大学硕士

7、学位论文中文摘要现象引起通道进口压力突然增加，汽泡在进出口的巨大压差的作用下被排挤出通道引起通道进口压力的减小。本文考虑到通道上游存在可压缩容积的影响，通过耦合求解汽泡尾部界面上的力平衡方程与汽泡上游液弹动量守恒方程，得到了汽泡尾部的界面速度与微通道入口压力随时间的瞬时变化特性。模型的计算结果与已发表的实验结果进行了比较，吻合较好。关键词：微通道，流动不稳定性，汽核倒流，压力波动II重庆大学硕士学位论文英文摘要ABSTRACTAsamoreefficientcoolingmethod,phase-c

8、hangeheattransfertechniqueinmicrochannelsiswidelyappliedinindustrywhiletheflowinstabilityphenomenonisgeneralinmicrochannelcoolingforelectroniccoolingapplication.Researchonthisissuehasattractedmoreandmoreattentionsofdomesticandforeignsch