平行芯片微通道中流动沸腾非稳定性研究

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随着现代高新技术的发展,在化工、航天、制冷、电子、生物工程等工业领域广泛地存在着微细通道内流动与换热现象,同时,由于微细通道流动与换热出现了一些不同于常规大直径管道的新的现象,使得这一课题的研究具有重要的实用价值和科学意义,越来越多的研究者开始关注和研究微细通道内的传热与流动特性。尤其是随着微电子元器件集成度的提高,具有较高换热系数而相对较低泵功的微通道中的沸腾相变换热成为近年来的研究热点。 到目前为止,关于微通道中流动沸腾现象的研究大多数是集中于稳态条件下的流动换热过程,测试段大多数是加工于金属铜和铝上的单根通道,然而对微通道内的沸腾两相流动不稳定特性的研究很少,尤其是对加工于芯片上的当量直径在200μm 以下的平行微通道中的不稳定特性的研究。本文借助于可视化观测和多参数同步测量技术,对去离子水流经不同尺寸的芯片平行微通道(当量直径<200μm)受热而发生的沸腾现象进行观测,结合采集的温度、压力、流量等数据和可视化结果来研究芯片平行微通道中的两相流动不稳定特性。按照流体流经通道时吸收热量依次经过单相对流、局部沸腾最后至全局沸腾的过程,分别分析了芯片平行微通道中的静态和动态不稳定特性。静态不稳定特性主要是通过压降—流量特性曲线来描述。研究表明:(1)加热量的增加会使得压降—流量特性曲线的最低点OFI(起始非稳定点)向大流量方向转移,同时使得流体的起始沸腾点ONB 向起始非稳定点OFI 更为靠拢,且由于受径向尺度的限制,ONB 向OFI 的转变较常规尺度条件下要迅速得多;(2)从起始非稳定点开始,在热负荷不变的条件下进一步减小流量可以导致两相流动非稳定振荡的加剧、汽核逗留时间的延长。随着加热量和质量流量的变化,汽核倒流的影响范围会发生变化,进而引起温度及压力信号呈现出不同类型的波动。动态不稳定特性主要是研究一些相关参数的波动特性,通过研究表明:(1)芯片微平行通道中的液相/汽液两相/汽相交变流动(LTVAF 流动)是液相/汽液两相交变流动(LTAF流动)在更高的热流强度下的进一步发展,他们的本质都是由汽核的倒流和液体的回冲现象所引起的;(2)硅微通道中所发生的汽核倒流和液体回冲现象在各个平行的通道中是不同步的,这是由于流量和加热量的分布不均引起的。微平行通道中的沸腾流动不稳定性不仅体现在时间的差异性上,同时也表现在空间的差异性上;(3)流体进口过冷度、热质比的增大会使振荡周期加大,通道当量直径的增加会使振荡周期减小,垂直布置的进出口方式会增加汽液在通道内的振荡阻力,从而使振荡周期拉长。
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