并联矩形微槽道在高热流密度下的静态不稳定现象

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1、并联矩形微槽道在高热流密度下的静态不稳定现象周继军刘睿廖文裕(上海海洋大学食品学院制冷空调系，上海201306)摘要:对紧凑式换热器的微槽道进行了静态不稳定性的实验研究。换热器由26条平行的矩形微槽道组成，微槽道的截面尺寸为300μm800μm，基底面积为5.0cm1.15cm，用去离子2水做工质，实验参数范围为：质量流速20～1200kg/(ms)，工质入口温度30,50,70℃，有效加热功率100～450W。实验结果发现，流动不稳定性起始点（OFI）存在于工质出口温度为93～96℃的条件下，略低于实验段出口压力下对应的饱和温度，微槽道的出口处观察到

2、有小汽泡[9]的存在,流过微槽道后在出口联箱处形成一个较大的圆形汽泡。证实了Qu和Mudawar的研究结果.关键词:微通道流动起始点不稳定性STATICFLOWINSTABILITYOFAPARALLELMICROCHANNELHEATSINKATHIGHHEATFLUXESJijunZhou,RuiLiu,WengyuLiaoShangHaiOceanUniversity1前言对于大尺度空间的相变传热现象，已发现三类主要脉动流动，即：压力降型脉动，密度[1][2][3][4]波型脉动及热力型脉动。这些脉动流动产生的条件、机理等已作了非常深入的研究。[5]但

3、对于微尺度空间内（特征尺度在1μm到1mm间）的脉动流动，公开发表的文献较少。近年来，由于高热流密度电子元件的冷却、封装的热管理以及生物工程MEMS的应用，微[2][3]槽道的流动和传热受到越来越广泛的关注。然而，微槽道中的两相流动与传热规律完全不同于单相流动与传热规律。最近Kandlikar[5]对微尺度流动与传热的研究进行了综述，其中包括压降、传热系数、流型、两相流的不稳定性以及临界热流密度等。目前，许多的有关微槽道的研究主要是集中在稳定的流动沸腾传热过程，但是，两相流的不稳定性（包括静态不稳定性和动态不稳定性）也是微型换热器设计基金项目：上海市重点课

4、程项目（6700308）资助。第一作者姓名：周继军.出生年月：1966/08.单位：上海海洋大学。职称：讲师。邮箱：jjzhou@shou.edu.cn和运行所非常关心的问题。其中静态不稳定性的特点可以从两相流流道的压降-流量特性曲线看出。不稳定性起始点（OFI）是单相液体流量的最低点，一旦流量低于OFI点，流量就会在单相液体流和两相流之间发生偏移，所以这种不稳定性也称为流量偏移(flowrateexcursions)。微槽道中的OFI(onsetofflowinstability)的出现是由于槽道中空泡率的增加，导致了压降的增加。对于常规槽道，OFI点总是

5、发生在流量稍低于OSV（onsetofsignificantvoid）点的位置。常规槽道的ONB（onsetnucleateboiling）和OSV，许多学者进行了大量的研究，也有许多[6]成功的经验公式和理论模型，比如关于ONB的Mcadam-Bowring模型和Hsu模型，关于充分[6]发展气泡点的Griffith统计模型和Levy模型以及Saha-Zuber模型。但是，当槽道尺寸小D/()gfg于临界当量直径时，微槽道中表面张力对流动和传热的作用就会十分显著，这完全不同于常规通道。大量的文献调研表明，对微槽道中OFI的研究相对较少，对[7]O

6、NB和OSV的研究就更少了。最近Kennedy对圆形通道的流动不稳定性起始点进行了研究，通道内径1.17mm和1.45mm，长22cm，有效加热长度16cm，得到压降-流量特性曲线，并且[8]实验得到的OFI数据同现有的公式进行了比较。Stoddard等也对环形通道（内径6.45mm，外径7.77mm）的流动不稳定性起始点进行了研究。迄今为止，对于平行微槽道进行流动不稳[9]定性起始点研究的相关文献还未见报道。最近Qu和Mudawar利用显微镜对平行微槽道（每个微槽道宽231μm，高713μm）的起始沸腾热流密度进行了实验测量，发现汽泡在微槽道出口的近壁处最

7、先产生，并由此确定沸腾起始点（boilingincipience），而很难确定一些传统流动沸腾传热过程中的关键点（诸如ONB和OSV），于是，他们提出用“沸腾起始点”（boilingincipience）的术语代替ONB和OSV，包括汽泡的生长和汽泡脱离两个过程。[6]Hetsroni等对当量直径为130μm的21个并行三角形微通道热沉上进行了以VertrelXF为工质的沸腾传热实验研究，对均匀受热条件下的微通道内流动不稳定性进行了可视化与动态参数测量的同步实验研究，发现了微通道内周期性沸腾的特点，在一个完整周期内汽液两相存在的时间约为0.05s,单相液体存

8、在的时间为(1.5-2)s，正是由于这种汽液两相和液