2.4表面張力對換熱特性的影響

微通道內(nèi)的汽液兩相流動與其換熱特性密切相關，沿流動方向的加熱壁面溫度Tw、Nu分布常用于表征流動沸騰過程中汽液兩相流的換熱特性。下面從Tw、Nu沿流動方向的變化以及微通道內(nèi)的局部過熱分布等方面研究表面張力對換熱特性的影響。

t=40 ms時刻，Tw、Nu的分布分別如圖7,8所示(不包括Tw>395 K,Nu>68以及異常過熱點的值)，圖8中Nu按文獻[11]提出的公式計算得出。

圖7加熱壁面溫度沿流動方向的變化(t=40 ms)

從圖7可以看出：對應3種σ，從入口至11 mm區(qū)域內(nèi)，Tw都呈上升趨勢，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，且差異明顯。σ=0.035 N·m?1時，Tw波幅最小，超過90%的Tw均為379~384 K，而σ=0.059 N·m?1時，Tw的波幅達19 K。

圖8加熱壁面Nu沿流動方向的變化(t=40 ms)

從圖8可以看出：對應不同σ，沿流動方向的0~11 mm區(qū)域，Nu均呈下降趨勢；在11 mm至出口處，Nu則出現(xiàn)不同程度的波動。與σ=0.059 N·m?1相比，σ=0.035 N·m?1對應的Nu的波動幅度降低近70%，約95%的Nu為12~24。可見，表面張力σ對沿通道11~20 mm區(qū)域的Tw和Nu的波動及其程度有較大影響，減小σ，彈狀流向拉伸汽泡流的轉變滯后，且汽泡尺寸減小，汽液兩相流動穩(wěn)定性增加，相應地，Tw和Nu的波幅減小，換熱也相對穩(wěn)定。此外，相對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)定會導致通道局部過熱(尤其是彈狀流、拉伸汽泡流階段)。

t=40 ms時，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，通道內(nèi)存在3處局部異常過熱(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，通道內(nèi)異常過熱區(qū)域則增加至8處(圖9c)。圖9d中I,II分別對應圖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，由壁面導出的熱量使微層內(nèi)的液體迅速汽化，吸收汽化潛熱，實現(xiàn)熱質(zhì)的快速遷移。因此，壁面不會出現(xiàn)局部異常過熱(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，導致壁面熱量難以轉移，壁溫迅速升高，以局部干涸點處的壁溫為溫度最高點，向鄰近區(qū)域發(fā)生熱量擴散，形成圖9d中I,II處的溫度梯度。比較發(fā)現(xiàn)：相對于σ為0.059 N·m?1，σ為0.035 N·m?1時微通道內(nèi)的局部異常過熱區(qū)域減少約3/4，最高過熱溫差ΔT降低約600 K，換熱更可靠、安全。

3結論

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，對應較小的表面張力，彈狀流向拉伸汽泡流的轉變相對延遲，拉伸汽泡的長度縮短近1/2，有利于維持汽液兩相流動的穩(wěn)定性。

2)汽泡演變引起的擾動、漩渦和汽塞及汽液兩相速度分布不均是汽液兩相流流動不穩(wěn)定的主因。減小表面張力，汽液兩相的壓降波動幅度降低約2.1 kPa，汽液兩相流的流動穩(wěn)定性提高。

3)相對于初始的泡狀流區(qū)域，彈狀流和拉伸氣泡流區(qū)域的換熱惡化，表面張力對彈狀流、拉伸汽泡流階段的壁溫、Nu的波動及其程度有較大影響，減小表面張力，加熱壁面的壁溫、Nu的波動幅度減小，換熱穩(wěn)定性增強；與σ=0.059 N·m?1相比，σ=0.035 N·m?1對應的微通道內(nèi)的局部異常過熱區(qū)域(壁溫超過400 K的區(qū)域)減少約3/4，最高過熱溫差降低約600 K，換熱更可靠、安全。