【摘要】：針肋微通道具有高面體比、體積小、傳熱效率高等優(yōu)勢,在小空間高效散熱領(lǐng)域有獨(dú)特應(yīng)用,得到了廣泛關(guān)注。本文設(shè)計(jì)并搭建了針肋微通道流動(dòng)與傳熱試驗(yàn)臺,進(jìn)行了六種針肋形狀和疏水表面微通道單相和沸騰流動(dòng)傳熱試驗(yàn)。圓形針肋微通道單相流動(dòng)摩擦阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)增加而減小,對流傳熱系數(shù)隨雷諾數(shù)增大顯著增大。加熱功率對摩擦阻力系數(shù)影響小。入口流體溫度越高,摩擦阻力系數(shù)越大。圓形針肋微通道內(nèi)沸騰流動(dòng)在低雷諾數(shù)時(shí)壓降和摩擦阻力系數(shù)較大,沸騰流動(dòng)壓降隨雷諾數(shù)增大先上升后下降,雷諾數(shù)繼續(xù)增加時(shí),壓降緩慢增加。隨加熱功率和入口水溫升高,相同雷諾數(shù)下的壓降上升,摩擦阻力系數(shù)變化小。不同形狀針肋微通道內(nèi)的流動(dòng)壓降隨雷諾數(shù)增大而增大。三角形和方形針肋壓降最大。雷諾數(shù)較小時(shí),水滴形針肋和菱形針肋壓降小,圓形針肋壓降較大,在雷諾數(shù)較大時(shí),圓形針肋與菱形針肋壓降接近,橢圓形針肋壓降較小。微通道底板表面平均溫度隨雷諾數(shù)增加而減小,對流傳熱系數(shù)和努謝爾特?cái)?shù)隨雷諾數(shù)增加而增大。三角形針肋傳熱系數(shù)最大,菱形針肋傳熱系數(shù)最小。針肋形狀對微通道內(nèi)沸騰流動(dòng)壓降影響大。雷諾數(shù)較小時(shí),微通道內(nèi)處于膜態(tài)沸騰狀態(tài),微通道內(nèi)蒸汽量大,蒸汽對流動(dòng)影響大。水滴形和菱形針肋微通道隨雷諾數(shù)增大沸騰流動(dòng)壓降迅速降低,三角形和方形針肋在低雷諾數(shù)下壓降增長快。三角形圓形和方形摩擦阻力系數(shù)小。底板表面平均溫度隨雷諾數(shù)增加而降低。加熱功率越大,入口流體溫度越高,底板表面平均溫度越高。三角形和方形針肋對流動(dòng)阻礙大,雷諾數(shù)較小時(shí),沸騰劇烈,底板表面溫度高。雷諾數(shù)較大時(shí),三角形針肋和方形針肋底板溫度最低,其次為橢圓形和圓形。水滴形針肋流體擾動(dòng)小,在微通道內(nèi)形成穩(wěn)定的蒸汽膜,底板表面溫度高。低雷諾數(shù)下,三角形、方形和圓形針肋微通道傳熱系數(shù)小,橢圓形、水滴形和菱形針肋微通道內(nèi)處于部分膜態(tài)沸騰,傳熱系數(shù)大。隨雷諾數(shù)增加,三角形和方形針肋,對流換熱系數(shù)顯著增加,菱形和水滴形對流換熱系數(shù)變化小。不同表面接觸角的微通道流動(dòng)壓降隨雷諾數(shù)增加先增大后降低,雷諾數(shù)繼續(xù)增大,壓降持續(xù)顯著增大。疏水性對微通道沸騰流動(dòng)摩擦阻力有顯著影響,疏水表面和超疏水表面的摩擦阻力系數(shù)明顯小于普通表面。不同疏水性下,微通道底板表面溫度隨雷諾數(shù)增加先迅速下降再平緩降低。疏水針肋微通道沸騰與流動(dòng)傳熱可以分為膜態(tài)沸騰區(qū)、膜態(tài)向核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)變區(qū)、核態(tài)沸騰區(qū)和單相對流換熱區(qū)。疏水涂層導(dǎo)致壁面有氣泡聚集,在表面形成氣膜,對對流換熱系數(shù)影響大。在低雷諾數(shù)下,菱形、水滴形和橢圓微通道疏水表面疏水涂層促進(jìn)了流體流動(dòng),傳熱系數(shù)比普通表面高。方形針肋表面因針肋尾部發(fā)生邊界層分離,流場擾動(dòng)大,換熱系數(shù)隨雷諾數(shù)增加而增加,疏水性沒有明顯影響。高速攝像儀觀測到微通道內(nèi)流量較小時(shí),流動(dòng)工質(zhì)飛濺在微通道頂面形成液滴,隨流量增加,流動(dòng)發(fā)展處于膜態(tài)沸騰、膜態(tài)沸騰向核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)變、核態(tài)沸騰和過冷沸騰狀態(tài)。加熱功率增大,微通道內(nèi)氣泡生長速度快,生長周期縮短,相同時(shí)刻下,微通道內(nèi)氣泡半徑增大。加熱功率對氣泡最大半徑?jīng)]有影響,氣泡脫離最大半徑基本保持不變。針肋末端擾流區(qū)氣泡脫離半徑為0.08mm左右,微通道同排針肋間隙區(qū)氣泡脫離半徑為0.0565mm。隨雷諾數(shù)增加,針肋尾部區(qū)氣泡遷移半徑緩慢增大再快速增大,達(dá)到峰值后減小。對應(yīng)微通道內(nèi)部膜態(tài)沸騰向核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)變區(qū)、核態(tài)沸騰區(qū)、過冷沸騰區(qū)。氣泡脫離半徑峰值對應(yīng)微通道內(nèi)旺盛核態(tài)沸騰的末期。加熱功率增加,氣泡脫離半徑峰值對應(yīng)的雷諾數(shù)增大,加熱功率對氣泡最大遷移半徑影響小。疏水性對針肋末端擾流區(qū)膜態(tài)沸騰向核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)變階段的圓形針肋微通道內(nèi)氣泡遷移半徑和微通道內(nèi)旺盛核態(tài)沸騰狀態(tài)沒有明顯影響,對核態(tài)沸騰區(qū)域氣泡遷移半徑有影響,疏水性增強(qiáng),氣泡遷移半徑減小。針肋尾部區(qū)有大量氣泡聚合,隨雷諾數(shù)增大,氣泡脫離半徑先增大后減小,疏水性增強(qiáng),針肋尾部區(qū)域氣泡遷移半徑明顯降低。
【圖文】：

針肋排列形式均為叉排，其長度采用游標(biāo)卡尺來測量，精度為０．１ｍｍ，寬度和厚逡逑度使用螺旋測微計(jì)測量，精度為０．０１ｍｍ，微通道針肋部分總長Ｚ＝４０ｍｍ，寬灰＝５．２ｍｍ，逡逑微通道試驗(yàn)件入口和出口為連接部分，所以入口出口處未布有針肋。圖２．１和圖２．２分逡逑別為微針肋熱沉的試驗(yàn)段正面照片和試驗(yàn)段整體實(shí)物圖。圖２．３為微針肋試驗(yàn)段表面逡逑結(jié)構(gòu)示意圖。逡逑（ａ）圓形（ｃｉｒｃｕｌａｒ）邐（ｂ）橢圓（ｅｌｌｉｐｓｅ）逡逑譽(yù)邋ｉ．—逡逑（ｃ）方形（ｓｑｕａｒｅ）邐（ｄ）菱形（ｄｉａｍｏｎｄ）逡逑（ｅ）三角形（Ｔｒｉａｎｇｌｅ）邐（ｆ）水滴形（ｄｒｏｐ邋ｓｈａｐｅ）逡逑圖２．１六種形狀針肋熱沉試驗(yàn)段正面照片逡逑１２逡逑

逡逑圖２．３微針肋試驗(yàn)段表面結(jié)構(gòu)示意圖逡逑如表２．２，本課題所用試驗(yàn)段為６塊不同形狀的叉排試驗(yàn)段。單位均為ｍｍ，其逡逑中，Ｄ為針肋當(dāng)量直徑，／／為肋高，５Ｖ為橫向間距（與來流方向相垂直的針肋間距），逡逑亂為縱向間距（與來流方向相平行的針肋間距），，而＆為斜向間距。從為沿流動(dòng)方向逡逑針肋排數(shù)，Ｍ為總針肋個(gè)數(shù)。本課題的單相流動(dòng)傳熱試驗(yàn)和沸騰傳熱試驗(yàn)均使用以下逡逑６種針肋形狀。逡逑表２．邋２叉排微針肋熱沉元件的尺寸逡逑序號邐肋片形狀邐Ｈ／邐Ｕ邐Ｗ／邐針肋尺寸邐Ｓｉｌ邐ＳＪ邐ＳＤ／邐Ｎｘ／邐Ｎ／逡逑ｍｍ邐ｍｍ邐ｍｍ邐／ｍｍ邐ｍｍ邐ｍｍ邐ｍｍ逡逑１邐圓形（ｃｉｒｃｕｌａｒ）邐０．５邐４０邐５．２邐Ｄ＝０．４邐１．１２邐１．６邐１．７邐１３邐９１逡逑１３逡逑
【學(xué)位授予單位】：南京師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TK124

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