复杂结构微流体芯片中的瞬态流型研究

在低质量流速和高热流密度下,对复杂结构微流体芯片中的流动沸腾进行了瞬态流型研究,发现了毫秒级微时间尺度的周期性流型和微通道中的分层流.在单个微通道区域,液膜沿流动方向逐渐增厚且蒸干总是首先发生在其上游区域,而在不同微通道区域间,下游微通道首先蒸干.分析表明,液相弗劳德数(Froude number)较低是微通道中分层流存在的原因.高沸腾数(Boiling number)引起汽液界面较大的剪切应力从而使液体不断向微通道出口处聚集,引起液膜厚度沿流动方向逐渐增厚.     

微液膜动力学特性与稳定性实验研究

气-液两相流设备的性能受限于临界热流密度,开展流动微液膜动力学特性及其稳定性的相关研究是深入理解沸腾危机及临界热流密度机理的关键。采用光学玻璃制成的矩形通道作为实验段,使用微流量齿轮泵驱动去离子水,使其在实验通道入口处与在其上部流动的压缩空气接触形成同向流动的分层流。利用共轭光学探测器对流动微液膜的厚度进行了测量,利用高速摄像机对气-液两相分层流波动特性进行了可视化观测。研究表明,在绝热情况下,当液速一定时,液膜的平均厚度随着气速增加而减小,当气速增加到某一阈值时会导致液膜破裂。     

微通道中凝结换热的流型及多通道效应

本文在空气自然冷却条件下,对MEMS硅基并联微通道中蒸汽凝结换热的流型和多通道效应进行了可视化研究,发现在低入口饱和蒸汽压下,通道入口为准静止状态的汽弹、汽弹前端周期性脱离汽泡、通道下游为泡状流;在高入口饱和蒸汽压下,通道内为环状流.汽泡脱离存在单汽丝断裂、双汽丝同步断裂以及双汽丝非同步断裂三种不同模式.汽液界面上表面张力不均匀引起Marangoni对流,使得两侧通道中的汽泡一旦形成,便被推向通道的高温侧.     

雾化喷射下的波动液膜的电测量

冷却壁面上液膜的特性行为与厚度直接关系到雾化喷射冷却的深入研究。本文报道了在雾化喷射下水平壁面液膜厚度的测量。借助示波器,通过液膜直流信号配以几何尺寸的精确测量,实验研究了给定喷管雾化喷射下液膜波动行为和厚度随压力和喷头高度的变化。结合对流传热系数测量,分析了液膜厚度与雾化喷射冷却条件及效果的关系。     

工质对微通道沸腾液膜瞬态变化的影响

本文采用去离子水和无水乙醇两种工质,利用微通道流动沸腾同步测量实验系统,研究了液膜厚度的瞬态变化规律,实验发现流动沸腾形成的初始液膜厚度在毛细数Ca很宽的范围内都遵循Taylor流动原理;液膜形成后,在蒸发和蒸汽流动携带的耦合作用下,厚度迅速减薄直至蒸干;由于水的汽液黏度比小,速度梯度小,剪切作用带来的液膜厚度减少量小,且水的汽化潜热大,吸收相同热量时蒸发量小,导致水的液膜厚度变化斜率较小,通过理论分析提出了沸腾液膜厚度变化的计算模型,计算结果与实验结果的误差小于20%。     

局部沸腾液滴内部气泡动态行为研究

本文采用微加热器对液滴进行局部加热,并对其蒸发沸腾现象进行了可视化研究。液滴局部加热后产生局部沸腾现象,内部生成单气泡,气泡附着在加热基板上,持续生长,当达到某个临界点气泡破裂。在加热初期,气泡生长速度很快,随着加热过程的不断进行,气泡的生长速度逐渐放缓;随着气泡生长顺序的不断推迟,最大直径减小;加热功率的提升会增加气泡的生长速度,缩短气泡的生长时间。通过对气泡破裂过程的研究,气泡破碎过程开始于气泡上方的液膜断裂,形成不稳定的瑞利流和向上喷射的液滴,在表面张力的作用下,恢复初始状态,气泡破裂直径大小会影响液滴的波动幅度与周期。     

流动沸腾空穴核化机理的实验研究

针对水在垂直矩形通道内的流动沸腾,对空穴核化的机理进行了实验研究.不同表面物性的沸腾对比发现良好湿润性表面成核更为持续稳定.空穴成核过程中形成的低过热区域超出了气泡直径大小,影响因数在1.3～1.8范围内变化.微液膜蒸发模型分析液膜厚度在活化核心处最小,而热流密度刚好相反.流动条件加强了气泡脱离运动,致使主流对流冷却作用增强,影响范围超出了气泡直径区域.核心间的相互作用导致核心状态出现间断性,同时主流对流冷却也是重要原因.     

方管两相流中微液膜的测量与分析

在微通道流动沸腾换热中,微液膜的蒸发对其起到了至关重要的作用,本文探究了0.6 mm方管在气液两相流条件下的液膜厚度变化,实验通过激光共聚焦位移计测量液膜厚度和高速相机采集图像,实现了同步测量。实验发现,当气泡速度小于1.27 m/s时,液体会集中在方管的四角,不会形成液膜;当气泡速度为1.21～2.71 m/s时,会在管壁形成液膜,液膜的变化呈阶梯式,并且随着气泡速度增大而增大;当气泡速度大于3.21 m/s时,流型会转变为环状流,液膜厚度会开始出现振荡。     

芯片微通道沸腾相变过程中流动交变现象探析

亚微米芯片通道中的沸腾相变极不稳定,在某些条件下,在芯片微通道的同一位置处会出现不同相态流体的交变现象,并伴随有剧烈的热力参数波动。本文通过显微观测和高速摄影技术,对芯片微通道沸腾相变过程中不同相态流体交变现象的成因及特点进行了揭示和分析,这对认识高热流密度条件下芯片微热沉中的流动非稳定性问题具有重要意义。     

液滴碰撞对液膜内汽泡运动与换热影响

采用数值模拟的方法,研究了沸腾雾化喷射过程中热壁面薄液膜层受到液滴碰撞扰动时液膜层内汽泡运动,相界面变化和由此引起的壁面换热特性.模拟结果显示汽泡生长初期相界面变化与液膜层内二次核化特征与文献结果吻合良好,汽泡生长后期相界面变化存在滞后.讨论了液滴下降速度.液滴直径与初始位置,多液滴碰撞对液膜层内流动与壁面换热的影响.