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硅基正弦波纹微通道内流动与强化换热特性研究

作　者: 张弛
导　师: 吴慧英
学　校: 上海交通大学
专　业: 工程热物理
关键词: 硅基正弦波纹微通道强化换热流动阻力沸腾流型沸腾不稳定性
分类号: TK124
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

本文采用标准微电子机械系统(MEMS)加工工艺,设计并加工了一系列硅基正弦波纹微通道。通过实验系统研究了硅基正弦波纹微通道中的流动阻力和强化换热特性。论文分析和讨论了周期、相位差等在内的各种几何因素对正弦波纹微通道内流动阻力和单相换热特性的影响,同时借助可视化技术对硅基正弦波纹微通道内的沸腾流型和沸腾不稳定性进行了实验研究,得到下面成果和结论:在硅基正弦波纹微通道单相流动方面发现:(1)正弦波纹微通道比平直微通道阻力均有所增加。(2)波纹微通道阻力与两侧壁的相位差和周期有关。对于周期相同的波纹微通道,其两侧壁相位差越大,阻力也越大。对于相位差相同的波纹微通道,周期增大却会导致不同的阻力变化:相位差为0的通道,周期越大,阻力越小;而相位差为π的通道,周期越大,阻力却越大。(3)随着周期减小,相位差对阻力的影响逐渐减小,当周期缩短至0.5mm时,相位差为0和π的微通道阻力特性曲线几乎重合。在硅基正弦波纹微通道单相对流换热方面发现:(1)当Re<200时,各波纹微通道与直通道相比,强化传热现象并不明显,当Re>200时,波纹微通道的Nu数比直通道有明显增加,热阻则明显减小。(2)对流换热Nu数随Re数增加而升高的速率与波纹微通道两侧壁相位差相关,相位差越大,Nu数上升越快。(3)对于相位差相同的波纹微通道,周期变化会导致对流换热Nu数不同的变化:相位差为0的微通道,在Re>350条件下,通道内换热Nu数与通道周期成反比。相位差为π的微通道,除去流动阻力极大的#6号微通道,其它三种通道换热Nu数与周期成正比。在硅基正弦波纹微通道沸腾流型及沸腾不稳定性方面发现:(1)稳定沸腾模式下相位差为0和π/4的正弦波纹微通道内可观测到泡状流、塞状流。相位差达到或超过π/2的正弦波纹微通道内也有气泡生成,但气泡均不易发展成稳定的塞状流。不稳定沸腾模式下相位差为0和π/4的微通道内可以观测到波状流、环状流、雾状流,并存在大量的返流现象。相位差达到π/2时,微通道喉部较窄,流体工质流经喉部时速度加快,会产生明显的喷射现象。随着相位差的继续增加,通道内将越来越难以观测到规律的波状流和环状流,流动形态较紊乱。(2)稳定沸腾模式下微通道进出口工质温度、压力和底部壁温不随时间波动。而在不稳定沸腾模式下,微通道进出口工质温度、压力和底部壁温会随时间发生有规律的波动。质量通量、热流密度、微通道几何结构对微通道中参数波动的周期和振幅均有影响。(3)研究发现增加质量通量,减小热流密度可提高沸腾稳定性;热流密度-质量通量图上存在定斜率的直线可将沸腾区间分为稳定沸腾区与不稳定沸腾区;正弦波纹微通道相位差对稳定沸腾区与不稳定沸腾区域转变位置影响很大。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-17
  1.1 选题背景及意义  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-16
    1.2.1 平直微通道内的单相流动与换热研究  11-12
    1.2.2 异形通道内的流动与强化换热研究  12-13
    1.2.3 波纹型通道内的流动与强化换热研究  13-14
    1.2.4 微通道内两相流流型及沸腾不稳定性的研究  14-16
  1.3 本文的主要工作  16-17
第二章实验系统及实验方法  17-26
  2.1 实验系统  17-23
    2.1.1 实验系统概述  17-18
    2.1.2 实验测试段  18-22
    2.1.3 实验参数的测量  22-23
  2.2 实验方法  23-24
    2.2.1 实验前的准备工作  23-24
    2.2.2 实验步骤  24
  2.3 误差分析  24-25
  2.4 本章小结  25-26
第三章硅基正弦波纹微通道内单相流动及换热特性  26-49
  3.1 引言  26
  3.2 实验数据处理  26-28
    3.2.1 硅基正弦波纹微通道内单相流动实验数据处理  26-27
    3.2.2 硅基正弦波纹微通道内单相换热实验数据处理  27-28
  3.3 数值分析方法简介  28-30
    3.3.1 周期性流动与周期性边界条件  28-29
    3.3.2 物理模型和数学描述  29-30
  3.4 硅基波纹微通道内单相流动阻力特性分析  30-41
    3.4.1 正弦波纹微通道内流动特性的数值模拟结果  30-32
    3.4.2 相同周期、不同相位差正弦波纹微通道的流动阻力特性  32-34
    3.4.3 不同周期、相同相位差正弦波纹微通道的流动阻力特性  34-36
    3.4.4 摩擦常数经验关联式  36-37
    3.4.5 相位差分别为0 和π的四组不同周期波纹微通道内的流动阻力对比  37-38
    3.4.6 小周期正弦波纹微通道内流动特异性的研究  38-41
  3.5 硅基正弦波纹微通道内单相对流换热特性分析  41-47
    3.5.1 相同周期、不同相位差正弦波纹微通道的对流换热特性  42-44
    3.5.2 不同周期、相同相位差正弦波纹微通道的对流换热特性  44-47
  3.6 本章小结  47-49
    3.6.1 硅基正弦波纹微通道流动阻力特性总结  47-48
    3.6.2 硅基正弦波纹微通道单相对流换热特性总结  48-49
第四章硅基正弦波纹微通道内沸腾流型及沸腾不稳定性  49-64
  4.1 引言  49-50
  4.2 实验数据处理  50
  4.3 稳定沸腾结果分析  50-54
    4.3.1 稳定沸腾模式下正弦波纹微通道内的流型  50-53
    4.3.2 稳定沸腾模式下温度、压力的变化趋势  53-54
  4.4 不稳定沸腾结果分析  54-62
    4.4.1 不稳定沸腾模式下正弦波纹微通道内的流型变化  54-57
    4.4.2 不稳定沸腾模式下温度、压力的周期性波动  57-61
    4.4.3 不稳定沸腾和稳定沸腾区域的划分  61-62
  4.5 本章小结  62-64
第五章总结与展望  64-67
  5.1 总结  64-65
  5.2 本文的不足及展望  65-67
参考文献  67-72
符号与标记（附录）  72-73
致谢  73-74
攻读硕士期间发表的学术论文  74-76

硅基正弦波纹微通道内流动与强化换热特性研究

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