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微小通道内液氮射流冲击传热和流动的实验研究

作　者: 许国华
导　师: 张鹏
学　校: 上海交通大学
专　业: 制冷及低温工程
关键词: 微小通道液氮射流冲击层流理论可视化波动
分类号: TK124
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着微型化技术的发展,微通道中的流动和换热已被引入到电子集成电路、航天、低温生物医疗等现代高新技术领域,对其规律的研究也正成为国际传热界的热点。本文对微小通道内液氮射流冲击传热和流动的特性进行了实验研究。首先,在已有实验台的基础上,克服低温实验中的绝热和测量困难,采用可视化技术,搭建一套适用于微小通道内液氮射流冲击传热和流动特性研究的实验系统。对直径为1.931mm的微小喷嘴在环形受限空间内射流冲击传热和流动进行系统研究,考察换热曲面、喷射间距、喷射速度、换热表面状态和质量流量等因素对传热的影响,着重分析驻点区域的热流密度与喷射速度及喷射间距的关联。根据实验结果绘制的液氮射流冲击换热曲线位于液氮池沸腾与水圆形受限射流冲击换热曲线之间,且与池沸腾换热曲线的延伸线能够很好地衔接,表明了射流冲击是强迫对流换热的一种强化传热方式。相对于加热过程,射流冲击换热冷却过程有明显的滞后现象。实验测得的微小通道内液氮射流冲击临界热流密度(CHF)与理论预测模型进行了比较,发现实验值比理论预测值高30%-50%。同等条件下,半球换热面具有最高的临界热流密度,平面换热面则最低。射流冲击局部传热系数随喷射间距的增大单调减小,且较低的过热度下,平面带尖换热面具有最好的传热效果,而较高过热度下,半球面则具有最好的换热效果。实验结果表明受污染后的射流传热数量级只相当于液氮池沸腾换热。利用半球面和平面带尖的实验数据拟合出了Re数在3500-9600间的传热关联式,并与已有实验关联式进行了比较。与常规流体自由表面射流冲击相比,微小通道管内受限射流冲击Nu数明显偏大。随着Re数的增大,平面带尖和半球面的换热效果趋于一致,且喷射间距对传热的影响也逐渐削弱。利用层流边界层理论对射流冲击流场进行了理论分析,发现理论计算值低于实验值,但趋势一致,误差不超过15%,表明管内射流冲击驻点传热受来流速度和湍流度的双重影响。喷射速度较低、喷射间距较大时,液氮在微小通道内受限射流冲击的沸腾换热体现出与池沸腾和管内强制对流沸腾相似的沸腾状态和流型。不同热流密度、较高喷射速度下,三种传热表面上的液氮射流冲击均出现了明显的质量流量周期性波动。同时,较高热流密度下,伴随质量流量的周期性波动,出现了周期性的倒流现象,使得质量流量波动的振幅大幅增加。较低喷射速度下,半球面加热面上的质量流量波动并没有明显的周期性,且随着喷射间距的增大,波动振幅有所降低。平面带尖传热面上,随着针尖扰动作用的增强,波动的幅度越来越小,达到传热稳定状态时,质量流量的波动也趋于一致。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
符号说明  11-13
第一章绪论  13-23
  1.1 课题背景和意义  13-14
  1.2 射流冲击基本理论  14-18
    1.2.1 射流冲击分类  14
    1.2.2 射流冲击流动特性  14-15
    1.2.3 射流冲击的特点及与平行流动的区别  15-16
    1.2.4 射流冲击传热特性  16-18
  1.3 微小通道内射流冲击研究  18-22
    1.3.1 常规通道与微小通道的判定  18-19
    1.3.2 微小通道内射流冲击传热研究  19
    1.3.3 低温流体射流冲击换热研究  19-22
  1.4 本文的主要工作  22-23
第二章微小通道内液氮射流冲击实验系统装置  23-34
  2.1 实验装置  23-24
  2.2 射流冲击实验段  24-27
  2.3 实验步骤  27
  2.4 测量元件、方法和数据采集  27-31
    2.4.1 测量元件与方法  27-29
    2.4.2 数据采集  29-31
  2.5 实验数据处理  31
  2.6 实验系统不确定度分析  31-33
  2.7 本章小结  33-34
第三章微小通道内液氮射流冲击的传热特性  34-56
  3.1 冲击表面壁温计算  34
  3.2 液氮沸腾临界热流密度  34-37
  3.3 微小通道内液氮射流冲击热流密度  37-42
    3.3.1 不同输入功率下的热流密度  37-39
    3.3.2 液氮射流冲击临界热流密度  39-42
  3.4 液氮射流冲击传热分析  42-46
    3.4.1 质量流量（喷嘴速度）对射流传热的影响  42
    3.4.2 喷射间距对射流传热的影响  42-44
    3.4.3 传热曲面对射流传热的影响  44-46
    3.4.4 传热表面状况对射流传热的影响  46
  3.5 实验结果与传热关联式的比较  46-51
  3.6 射流冲击边界层理论分析  51-54
    3.6.1 速度边界层分析  51-52
    3.6.2 温度边界层分析  52-54
  3.7 本章小节  54-56
第四章微小通道内液氮射流冲击的流动特性  56-67
  4.1 射流冲击流型特征  56-61
    4.1.1 与池沸腾流型比较  56-58
    4.1.2 与管内沸腾流型的比较  58-61
  4.2 射流冲击两相流不稳定性  61-65
    4.2.1 周期性波动  61-64
    4.2.2 倒流  64-65
  4.3 本章小节  65-67
第五章总结与展望  67-69
参考文献  69-74
致谢  74-75
攻读学位期间发表的学术论文及其它成果  75

微小通道内液氮射流冲击传热和流动的实验研究

内容摘要

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