微尺度相变传热中的不稳定现象
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第 25 卷,Hale Waihona Puke Baidu总第 141 期 2007 年 1 月 , 第 1 期
节 能 技 术 ENERGY CONSERVAT ION TECHNOLOGY
Vol. 25, Sum. No. 141 Jan. 2007, No. 1
微尺度相变传热中的不稳定现象
周继军1, 2 , 施 伟 1, 甘云华2 200090; 广州 510640) ( 1. 上海水产大学 热能与动力工程系 , 上海
2
对于本工况 , 周期 T full 达到 807 s ( 13. 45 min) , 其中 T SP 为 149 s, 而 T TP 为 658 s( 占整 个 周期 的 81. 53% ) 。
图 3 典型长周期 / 大幅度液体 / 两相间歇流瞬变
3 热流密度及压差对长周期/ 大幅度液体/ 两相间歇流的影响
1
实验装置及系统
本实验装置 系统如图 1 所示。主 要由供液 系
统, 实验段模块, 传感器及数据采集系统, 冷凝液计 量系统等组成。高压氮气作为压力源, 经减压阀和 精密调压阀精确控制液体容器的压力。由于连接管 的内截面积是实验段内截面积的 64 倍 , 而实验段工 质经冷凝后直接排放到处于大 气压力下的收 集容 器, 因而实验系统中所有的压差几乎全部消耗在微
区段的质量流速增大, 而两相流区段的质量流速减 小。随着热流密度的增加, 完成一个完整周期的时 间 T full 变长。 在这个完整周期 T full 中包含单相区段 的时间 T SP 和两相区段的时间 TTP , 而随着内壁热流 密度的增加 , 两相区段的时间 TTP 占整个周期 T full 的份额大大加大。 也就是说, 在这种长周期 / 大幅度 脉动流中 , 液体流动的时间相对较短, 而两相流动的 时间相对较长。
图 1 实验系统图
∃ 20 ∃
图2
实验段结构图
2
长周期/ 大幅度液体/ 两相间歇流
实验发现, 当贮 液容 器内 液体 的温 度 控制 在
来回切换。 一个完整周期 T full 包含液体流动时间 T SP 及两相流动时间 T TP。 T full = T SP + TTP ( 1)
100 ! 时, 系统发生一种长周期 / 大幅度液体/ 两相间 歇流。图 3 表示一典型瞬变工况, 实验段压差控制 在40 kPa, 内壁 热负 荷 恒定 在 60. 5 W/ cm2 。 由图可 见, 压差 !p , 进出口温度 T in , T out, 内壁温度 T w 及通 道质量流速 G 作非常有规律的脉动。 其脉动曲线的 形状分别为 : 压差在系统从两相切换成单相时产生 尖的脉冲, 入口温度 T in 为三角形, 内壁温为梯形 , 质量流速为矩形。 考察一个典型的周期 , 包含 t = tA 到 t = tB , 再从 t = tB 到 t = tC , 其物理过程描述如 下。 2. 1 液体流动 在一个完整的周期内 , 包含液体流动和汽液两 相流动两个时间区段 , t = tA 到 t = tB 为液体区段。 在这个时间段内, 由于系统从上个周期的两相流动 突然切换到本周期的单相流动, 压差信号在 t = tA 时产生一个尖的正脉冲 , 紧接着一个负脉冲并开始 逐渐恢复到正常值。 工质出口温度 T out 从 t = tA 开 始急速下降, 然后稳定在一个水平值, 紧接着上升直 到 t = tB 。 入口温度 T in 从 t = tA 开始几乎呈线性上 升。 内壁温 T w 随时间的变化规律与出口温度的变化 形状类似 , 呈梯形。 在液体流动区段, 质量流速维持 在一个高的数值。 2. 2 两相流动 t = tB 到 t = tC 这个时间段为两相流动 , 压力、 差压没有明显变化。 出口温度 T out 维持在一个水平 值, 为 101 ! ( 实验段出口对应压力下的饱和温度 ) , 入口温度 T in 从 t = tB 到 t = tC 呈线性下降, 壁温急 剧上升并维持在一个高的水平值, 质量流速在两相 流区段维持在一个较低的值。 从图 3 可以看出 , 大部分参数作大幅度脉动, 如 T in 脉动范围在 72 ~ 87 ! 之间, 内壁温的脉动范围 为 128 ~ 139 ! , 而质量流速在 472 ~ 2 855 kg/ m s 间
收稿日期
2006- 12- 05
修订稿日期 2006- 12- 26
基金项目 : 上海水产大学博士基金启动项目 ( 6690205029) 作者简介 : 周继军 ( 1966~ ) 男 , 汉族 , 上海人 , 讲师 , 博士 , 从事微 尺度流动与传热的研究。
十微米的数量级 , 因而失去进行微流体研究的意义 , 所以建议采用硅基微通道蚀刻加工方法及工艺。然 而对于微尺度相变传热, 其主要影响因素是表面张 力, 对于水在微尺度下 的相变传热 , 当水力直 径在 500 m 以下时 , 表面张力的作用已非常明显 , 微尺度 效应也非常显著。 本文工作是整个微尺度相变传热研究 的一部 分, 实验从单微通道相变传热的研究开始, 依次进行 多通道相变传热 , 并进行了光学可视化测量的研究。 本文报导去离子水在内径500 m, 总长 90 mm, 有效 加热段长度为45 mm 微通道内的相变传热。以上实 验段尺寸是微尺度相变换热器中可能遇到并极其感 兴趣的尺寸。其内壁热流密度已高达200 W/ cm2 。 贮 液容器内液体的温度跨越室温到 100 ! 的范围。在 这个宽广的实验运行条件下, 发现了微通道中的流 动不稳定流现象 : 长周期 / 大幅度液体/ 两相间歇流。 结合正在进行的多通道微尺度相变传热研究, 发现 似乎所有的沸腾工况都存在着脉动现象 , 作者认为 , 脉动流动可能是微尺度相变传 热中具有共性 的问 题。当然, 这个结论还有待于从数学上进行严密的 论证。
2. 中国科学院广州能源研究所 微能源系统实验室 , 广东
摘 要 : 实验发现了微通道在高热流密度下会发生一种长周期 / 大幅度液体 / 两相间歇流 。它 发生在贮液容器内的液体处于近乎饱和温度的条件下, 表现出实验段压差, 质量流速 , 通道进出口 温度及壁温作有规律的长周期及大幅度脉动 。通道内随时间发生液体和两相流的间歇流动 , 实验 证实该类流动是由于通道内质量流速与入口温度间的负反馈效应引起的。 关键词 : 微通道 ; 脉动周期 ; 脉动幅度 ; 间歇流 中图分类号 : TK0; O35 文献标识码: A 文章编号 : 1002- 6339 ( 2007) 01- 0019- 04
通道上。液体容器内的 液体温度由温 度控制单元 ( 温控仪 XMT - 900) 精密调节, 其控制精度在 % 1 ! 。 液体容器内的液体在氮气压力的驱动下 , 顺序流过 调节阀, 2 微米过滤器进入实验 段。被实验段加热 的高焓工质经过冷凝器冷却后成为液体 , 被玻璃收 集容器收集。其重量随时间的变化可用于计算流过 实验段的质量流速。所有压力, 差压 , 流体及壁面温 度信号都接入 Agilent34970A 高速数据采集系统, 采 集系统与计算机相连, 在屏幕上实时显示、 诊断及存 储动态数据。 实验段结构如图 2 所示。主体由总 长 90 mm, 内径500 m, 外径 1. 6 mm的进口高质量不锈钢管( 美 国 Swagelok 公司) 制成, 材料为 1Cr18Ni9T i, 其有效加 热段长度为 45 mm 。 将铝在高温下熔化 并与不锈钢 管浇铸成为一个整体 , 因而不锈钢管与铝块之间的 接触热阻很小 , 可忽略不计。浇铸后的实验件经加 工后形 成一个外径 20 mm 的圆柱体。热负荷由紧 密 缠 绕 在 圆 柱 体 的 外 表 面 的 直 径 为 0. 4 mm ( 12 / m) 的 Ni- Cr 加热线提供 , 形成定热流密度的 边界条件。外敷绝热材料保温减少热量损失。热电 偶在实验件上的布置也如图 2 所示。不锈钢管与主 连接管之间采取适配器与之相连。实验段进出口布 置热电 偶 ( K 型 ) , 压 力传 感 器 ( Setra system Model 206) 及差压传感器 ( DP1300- DP55E22M4D1) 等。 实验过程如下: 开启氮气压力调节系统及温度 控制单元 , 使贮液容器中的液体处于给定的压力和 温度, 然后开启实验段入口调节阀, 建立微通道内的 流动。然后由功率调节系统 ( 数 字功率计 YF9901) 对实验段施加电压 , 以获得内壁给定的热流密度。
2 1, 2 1 2
激光器的热流密度甚至高达 500 W/ cm2∀1# 。 这些器件 工作性能的好坏很大程度上取决于它们散热性能的 好坏 , 因而微尺度相变传热技术在近年来得到越来 越广泛的关注。微尺度相变传热涉及到微空间内的 沸腾起始点、 压降、 传热系数、 流型、 临界热流密度等 诸多问题, 综述性论文见文献∀2, 3, 4, 5#。 微尺度单相流与微尺度两相流 , 在微尺度的概 念上是不大相同的。对于单相流 , 就作者所知, 其特 殊现象, 如 层流到紊流的转换 雷诺数、 界面滑移现 象、 电双层效应等一般要在水力直径 100 m 以下才 能显现出来, 常规机械加工的方法因加工精度在数 ∃ 19 ∃
本文进行了实验段压差分别为 20, 40 及60 kPa, 内壁热流密度从30 W/ cm2 变化到 90 W/ cm 2。 压差及 热流密度对长周期 / 大幅度液体 / 两相间歇流的影响 表示在图 4 上。在图 4 中的曲线按 3 个压差分为三 组 , 压差越高 , 可以运行的热流密度的范围也越大。 由图可见 , 单相流区段的质量流速要明显高于两相 流区段的质量流速。随着热流密度的增加 , 单相流 ∃ 21 ∃
The Instability Phenomena of Flow Boiling in Micro- tube
ZHOU Ji- jun , SHI Wei , GAN Yun- hua ( 1. Department of Thermal Energy and Power Engineering of SHFU, Shanghai 200090, China; 2. Laboratory of Micro- Energy System, GIEC, Guangzhou 510640, China) Abstract: A type of long period/ large amplitude liquid/ two- phase alternative flow was ident ified with the mi cro- tube at high heat fluxes. The oscillation flow is occured near the liquid saturation temperature of the 100 ! water source tank, and shows the large amplitude oscillations of pressure drop, mass flux, inlet and outlet temperatures and wall temperatures with long time period. Liquid flow and two - phase flow appear in the micro- tube alternatively. It is confirmed that such type of oscillation flow is caused by the feedback con trol of the mass flux and the inlet liquid temperature of the micro- tube. Key words: micro- tube; oscillation time period; oscillat ion amplitude; alternative flow 由于新材料与制造技术的迅速发展, 近年来装 置的微小型化已经成为当前国 际上的一个研 究热 点。特别是随着高性能计算机、 半导体激光器、 大规 模及超大规模集成电路的研制 , 使得元件的发热量 及单位面积上的热流密度大大增加 , 如金属氧化物 闸流管的热流密度已高达 100~ 200 W/ cm , 半导体
节 能 技 术 ENERGY CONSERVAT ION TECHNOLOGY
Vol. 25, Sum. No. 141 Jan. 2007, No. 1
微尺度相变传热中的不稳定现象
周继军1, 2 , 施 伟 1, 甘云华2 200090; 广州 510640) ( 1. 上海水产大学 热能与动力工程系 , 上海
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对于本工况 , 周期 T full 达到 807 s ( 13. 45 min) , 其中 T SP 为 149 s, 而 T TP 为 658 s( 占整 个 周期 的 81. 53% ) 。
图 3 典型长周期 / 大幅度液体 / 两相间歇流瞬变
3 热流密度及压差对长周期/ 大幅度液体/ 两相间歇流的影响
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实验装置及系统
本实验装置 系统如图 1 所示。主 要由供液 系
统, 实验段模块, 传感器及数据采集系统, 冷凝液计 量系统等组成。高压氮气作为压力源, 经减压阀和 精密调压阀精确控制液体容器的压力。由于连接管 的内截面积是实验段内截面积的 64 倍 , 而实验段工 质经冷凝后直接排放到处于大 气压力下的收 集容 器, 因而实验系统中所有的压差几乎全部消耗在微
区段的质量流速增大, 而两相流区段的质量流速减 小。随着热流密度的增加, 完成一个完整周期的时 间 T full 变长。 在这个完整周期 T full 中包含单相区段 的时间 T SP 和两相区段的时间 TTP , 而随着内壁热流 密度的增加 , 两相区段的时间 TTP 占整个周期 T full 的份额大大加大。 也就是说, 在这种长周期 / 大幅度 脉动流中 , 液体流动的时间相对较短, 而两相流动的 时间相对较长。
图 1 实验系统图
∃ 20 ∃
图2
实验段结构图
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长周期/ 大幅度液体/ 两相间歇流
实验发现, 当贮 液容 器内 液体 的温 度 控制 在
来回切换。 一个完整周期 T full 包含液体流动时间 T SP 及两相流动时间 T TP。 T full = T SP + TTP ( 1)
100 ! 时, 系统发生一种长周期 / 大幅度液体/ 两相间 歇流。图 3 表示一典型瞬变工况, 实验段压差控制 在40 kPa, 内壁 热负 荷 恒定 在 60. 5 W/ cm2 。 由图可 见, 压差 !p , 进出口温度 T in , T out, 内壁温度 T w 及通 道质量流速 G 作非常有规律的脉动。 其脉动曲线的 形状分别为 : 压差在系统从两相切换成单相时产生 尖的脉冲, 入口温度 T in 为三角形, 内壁温为梯形 , 质量流速为矩形。 考察一个典型的周期 , 包含 t = tA 到 t = tB , 再从 t = tB 到 t = tC , 其物理过程描述如 下。 2. 1 液体流动 在一个完整的周期内 , 包含液体流动和汽液两 相流动两个时间区段 , t = tA 到 t = tB 为液体区段。 在这个时间段内, 由于系统从上个周期的两相流动 突然切换到本周期的单相流动, 压差信号在 t = tA 时产生一个尖的正脉冲 , 紧接着一个负脉冲并开始 逐渐恢复到正常值。 工质出口温度 T out 从 t = tA 开 始急速下降, 然后稳定在一个水平值, 紧接着上升直 到 t = tB 。 入口温度 T in 从 t = tA 开始几乎呈线性上 升。 内壁温 T w 随时间的变化规律与出口温度的变化 形状类似 , 呈梯形。 在液体流动区段, 质量流速维持 在一个高的数值。 2. 2 两相流动 t = tB 到 t = tC 这个时间段为两相流动 , 压力、 差压没有明显变化。 出口温度 T out 维持在一个水平 值, 为 101 ! ( 实验段出口对应压力下的饱和温度 ) , 入口温度 T in 从 t = tB 到 t = tC 呈线性下降, 壁温急 剧上升并维持在一个高的水平值, 质量流速在两相 流区段维持在一个较低的值。 从图 3 可以看出 , 大部分参数作大幅度脉动, 如 T in 脉动范围在 72 ~ 87 ! 之间, 内壁温的脉动范围 为 128 ~ 139 ! , 而质量流速在 472 ~ 2 855 kg/ m s 间
收稿日期
2006- 12- 05
修订稿日期 2006- 12- 26
基金项目 : 上海水产大学博士基金启动项目 ( 6690205029) 作者简介 : 周继军 ( 1966~ ) 男 , 汉族 , 上海人 , 讲师 , 博士 , 从事微 尺度流动与传热的研究。
十微米的数量级 , 因而失去进行微流体研究的意义 , 所以建议采用硅基微通道蚀刻加工方法及工艺。然 而对于微尺度相变传热, 其主要影响因素是表面张 力, 对于水在微尺度下 的相变传热 , 当水力直 径在 500 m 以下时 , 表面张力的作用已非常明显 , 微尺度 效应也非常显著。 本文工作是整个微尺度相变传热研究 的一部 分, 实验从单微通道相变传热的研究开始, 依次进行 多通道相变传热 , 并进行了光学可视化测量的研究。 本文报导去离子水在内径500 m, 总长 90 mm, 有效 加热段长度为45 mm 微通道内的相变传热。以上实 验段尺寸是微尺度相变换热器中可能遇到并极其感 兴趣的尺寸。其内壁热流密度已高达200 W/ cm2 。 贮 液容器内液体的温度跨越室温到 100 ! 的范围。在 这个宽广的实验运行条件下, 发现了微通道中的流 动不稳定流现象 : 长周期 / 大幅度液体/ 两相间歇流。 结合正在进行的多通道微尺度相变传热研究, 发现 似乎所有的沸腾工况都存在着脉动现象 , 作者认为 , 脉动流动可能是微尺度相变传 热中具有共性 的问 题。当然, 这个结论还有待于从数学上进行严密的 论证。
2. 中国科学院广州能源研究所 微能源系统实验室 , 广东
摘 要 : 实验发现了微通道在高热流密度下会发生一种长周期 / 大幅度液体 / 两相间歇流 。它 发生在贮液容器内的液体处于近乎饱和温度的条件下, 表现出实验段压差, 质量流速 , 通道进出口 温度及壁温作有规律的长周期及大幅度脉动 。通道内随时间发生液体和两相流的间歇流动 , 实验 证实该类流动是由于通道内质量流速与入口温度间的负反馈效应引起的。 关键词 : 微通道 ; 脉动周期 ; 脉动幅度 ; 间歇流 中图分类号 : TK0; O35 文献标识码: A 文章编号 : 1002- 6339 ( 2007) 01- 0019- 04
通道上。液体容器内的 液体温度由温 度控制单元 ( 温控仪 XMT - 900) 精密调节, 其控制精度在 % 1 ! 。 液体容器内的液体在氮气压力的驱动下 , 顺序流过 调节阀, 2 微米过滤器进入实验 段。被实验段加热 的高焓工质经过冷凝器冷却后成为液体 , 被玻璃收 集容器收集。其重量随时间的变化可用于计算流过 实验段的质量流速。所有压力, 差压 , 流体及壁面温 度信号都接入 Agilent34970A 高速数据采集系统, 采 集系统与计算机相连, 在屏幕上实时显示、 诊断及存 储动态数据。 实验段结构如图 2 所示。主体由总 长 90 mm, 内径500 m, 外径 1. 6 mm的进口高质量不锈钢管( 美 国 Swagelok 公司) 制成, 材料为 1Cr18Ni9T i, 其有效加 热段长度为 45 mm 。 将铝在高温下熔化 并与不锈钢 管浇铸成为一个整体 , 因而不锈钢管与铝块之间的 接触热阻很小 , 可忽略不计。浇铸后的实验件经加 工后形 成一个外径 20 mm 的圆柱体。热负荷由紧 密 缠 绕 在 圆 柱 体 的 外 表 面 的 直 径 为 0. 4 mm ( 12 / m) 的 Ni- Cr 加热线提供 , 形成定热流密度的 边界条件。外敷绝热材料保温减少热量损失。热电 偶在实验件上的布置也如图 2 所示。不锈钢管与主 连接管之间采取适配器与之相连。实验段进出口布 置热电 偶 ( K 型 ) , 压 力传 感 器 ( Setra system Model 206) 及差压传感器 ( DP1300- DP55E22M4D1) 等。 实验过程如下: 开启氮气压力调节系统及温度 控制单元 , 使贮液容器中的液体处于给定的压力和 温度, 然后开启实验段入口调节阀, 建立微通道内的 流动。然后由功率调节系统 ( 数 字功率计 YF9901) 对实验段施加电压 , 以获得内壁给定的热流密度。
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激光器的热流密度甚至高达 500 W/ cm2∀1# 。 这些器件 工作性能的好坏很大程度上取决于它们散热性能的 好坏 , 因而微尺度相变传热技术在近年来得到越来 越广泛的关注。微尺度相变传热涉及到微空间内的 沸腾起始点、 压降、 传热系数、 流型、 临界热流密度等 诸多问题, 综述性论文见文献∀2, 3, 4, 5#。 微尺度单相流与微尺度两相流 , 在微尺度的概 念上是不大相同的。对于单相流 , 就作者所知, 其特 殊现象, 如 层流到紊流的转换 雷诺数、 界面滑移现 象、 电双层效应等一般要在水力直径 100 m 以下才 能显现出来, 常规机械加工的方法因加工精度在数 ∃ 19 ∃
本文进行了实验段压差分别为 20, 40 及60 kPa, 内壁热流密度从30 W/ cm2 变化到 90 W/ cm 2。 压差及 热流密度对长周期 / 大幅度液体 / 两相间歇流的影响 表示在图 4 上。在图 4 中的曲线按 3 个压差分为三 组 , 压差越高 , 可以运行的热流密度的范围也越大。 由图可见 , 单相流区段的质量流速要明显高于两相 流区段的质量流速。随着热流密度的增加 , 单相流 ∃ 21 ∃
The Instability Phenomena of Flow Boiling in Micro- tube
ZHOU Ji- jun , SHI Wei , GAN Yun- hua ( 1. Department of Thermal Energy and Power Engineering of SHFU, Shanghai 200090, China; 2. Laboratory of Micro- Energy System, GIEC, Guangzhou 510640, China) Abstract: A type of long period/ large amplitude liquid/ two- phase alternative flow was ident ified with the mi cro- tube at high heat fluxes. The oscillation flow is occured near the liquid saturation temperature of the 100 ! water source tank, and shows the large amplitude oscillations of pressure drop, mass flux, inlet and outlet temperatures and wall temperatures with long time period. Liquid flow and two - phase flow appear in the micro- tube alternatively. It is confirmed that such type of oscillation flow is caused by the feedback con trol of the mass flux and the inlet liquid temperature of the micro- tube. Key words: micro- tube; oscillation time period; oscillat ion amplitude; alternative flow 由于新材料与制造技术的迅速发展, 近年来装 置的微小型化已经成为当前国 际上的一个研 究热 点。特别是随着高性能计算机、 半导体激光器、 大规 模及超大规模集成电路的研制 , 使得元件的发热量 及单位面积上的热流密度大大增加 , 如金属氧化物 闸流管的热流密度已高达 100~ 200 W/ cm , 半导体