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微通道流動(dòng)沸騰中表面張力的關(guān)鍵作用機(jī)制研究(二)
來(lái)源:《江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》 瀏覽 871 次 發(fā)布時(shí)間:2026-01-26
2數(shù)值模擬結(jié)果與分析
2.1模型可靠性驗(yàn)證
通道內(nèi)沿流動(dòng)方向依次出現(xiàn)的流型如圖2所示,圖2a為σ=0.059 N·m?1(純水)條件下,數(shù)值計(jì)算得到的微通道內(nèi)汽液兩相呈現(xiàn)的流型。不難看出:沿流動(dòng)方向依次出現(xiàn)泡狀流(汽泡呈球形)、彈狀流(汽泡呈前端橢球,中間圓柱體,尾端近扁平狀)和拉伸汽泡流(汽泡在微通道內(nèi)受限,呈拉伸的柱形)3種流型。這與通過(guò)沸騰試驗(yàn)得到的490μm矩形通道內(nèi)觀測(cè)段的流型及汽泡形態(tài)(圖2b)一致。此外,數(shù)值模擬結(jié)果還與其他文獻(xiàn)中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì),結(jié)果表明:計(jì)算模型與數(shù)值方法可行,計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。
圖2通道內(nèi)沿流動(dòng)方向依次出現(xiàn)的流型
2.2汽泡演變與流型發(fā)展
首先從汽泡在微通道的演變與流型發(fā)展的特征入手,討論不同表面張力下,矩形微通道內(nèi)沿流動(dòng)方向的汽液兩相分布變化的差異。圖3a給出了σ分別為0.035,0.045,0.059 N·m?1時(shí)各自的汽泡演變與流型發(fā)展的計(jì)算云圖(t=40 ms),圖3b為汽泡脫離壁面后的3種不同的聚并現(xiàn)象,I,II,III分別對(duì)應(yīng)于剛脫離加熱壁面的小汽泡之間的聚并、較大尺寸汽泡與壁面上尚未脫離或剛脫離的小汽泡之間的聚并、尺寸相當(dāng)?shù)钠麖椈蚶炱葜g的聚并。
隨著脫離壁面的汽泡在通道中的成長(zhǎng)、聚并,汽相分布呈現(xiàn)不同的特征,從入口至出口,3種表面張力均依次呈現(xiàn)泡狀流、彈狀流與拉伸汽泡流等汽液兩相流型的發(fā)展規(guī)律,圖3a中,0-1為泡狀流,1-2為彈狀流,2-3為拉伸汽泡流。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn),σ=0.035 N·m?1時(shí),通道內(nèi)1-2階段持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)(從距離入口7.0 mm處持續(xù)到14.5 mm)。相對(duì)而言,σ越小,彈狀流轉(zhuǎn)變?yōu)槔炱萘鞯墓?jié)點(diǎn)越滯后。在拉伸汽泡流階段,比較σ分別為0.035,0.059 N·m?1,單個(gè)拉伸汽泡的長(zhǎng)度縮短近1/2;σ=0.059 N·m?1時(shí),汽泡會(huì)發(fā)生圖3b III所示的大汽泡間聚并??梢园l(fā)現(xiàn):σ不同,微通道內(nèi)汽泡演變和汽液兩相流型發(fā)展有所差異,σ越小,彈狀流向拉伸汽泡流的轉(zhuǎn)變相對(duì)延遲,拉伸汽泡的長(zhǎng)度縮短近1/2,較長(zhǎng)的拉伸汽泡充塞通道對(duì)維持汽液兩相流動(dòng)的穩(wěn)定性不利。
圖3微通道內(nèi)沿流動(dòng)方向的流型發(fā)展圖(t=40 ms)
2.3汽液兩相流動(dòng)的穩(wěn)定性研究
2.3.1汽液兩相的不穩(wěn)定流動(dòng)特征
汽液兩相流動(dòng)的不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致其換熱不穩(wěn)定,造成通道壁面局部換熱惡化,影響器件的安全運(yùn)行。因此,研究通道內(nèi)的流動(dòng)沸騰建立在汽液兩相流動(dòng)的基礎(chǔ)上,就微通道而言,汽液兩相流動(dòng)的穩(wěn)定性問(wèn)題尤為突出。通道內(nèi)汽、液相的流速分布可反映沸騰過(guò)程中兩相流動(dòng)的穩(wěn)定性,圖4a,c分別給出距離出口0~5 mm處微通道內(nèi)的速度分布、汽相分布云圖。
圖4距微通道出口0~5mm處的速度與汽相分布云圖(σ=0.045 N·m?1,t=40 ms)
從圖4a,b可以看出:通道內(nèi)液相流速為1.4~2.0 m·s?1,汽相流速為2.0~2.5 m·s?1;通道內(nèi)汽相因體積膨脹推動(dòng)汽液兩相流動(dòng),汽液兩相流速沿流動(dòng)方向均不斷增大。從圖4a中I處的速度等值線圖(圖4b)可以看出:汽相在通道中心的流速最高,達(dá)2.5 m·s?1,中心附近的速度梯度小,而近壁區(qū)速度梯度較大,其中,最靠近壁面處汽相速度甚至低于0.5 m·s?1。
圖4中汽液兩相速度分布不均的原因:汽泡與通道尺寸在同一量級(jí),汽泡對(duì)流動(dòng)擾動(dòng)增強(qiáng),且隨著汽泡的急劇生長(zhǎng),當(dāng)汽泡大小達(dá)到微通道尺寸,汽泡堵塞通道,阻礙汽液兩相的正常流動(dòng),即發(fā)生汽塞現(xiàn)象。汽液兩相流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象如圖5所示。
圖5汽液兩相流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象
小汽泡的運(yùn)動(dòng)在流體中形成擾動(dòng)和局部漩渦現(xiàn)象,造成局部流速增大(圖4b虛線處流速高于2.0 m·s?1的部分);對(duì)照?qǐng)D5b,發(fā)生汽塞現(xiàn)象時(shí),汽泡充滿通道,汽相在近壁區(qū)出現(xiàn)局部滯留,阻礙來(lái)流的流動(dòng),汽泡尾部汽液界面附近流速降低(圖4b虛線處流速突然低于1.5 m·s?1),明顯低于汽相內(nèi)部流速。汽泡運(yùn)動(dòng)造成的擾動(dòng)、漩渦和汽塞及相應(yīng)的汽液兩相速度分布不均是汽液兩相流流動(dòng)不穩(wěn)定的主因。
2.3.2表面張力對(duì)汽液兩相流動(dòng)的影響
通道進(jìn)出口汽液兩相的總體壓降Δp常作為衡量流動(dòng)是否穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)。σ分別為0.035,0.045,0.059 N·m?1時(shí),通道進(jìn)出口壓降Δp隨時(shí)間的變化曲線如圖6所示。20 ms之后,微通道內(nèi)的汽液兩相流進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定的充分發(fā)展?fàn)顟B(tài),在20~60 ms的時(shí)間間隔內(nèi),3種表面張力對(duì)應(yīng)的Δp的波動(dòng)范圍分別為2.8~6.3,2.0~6.7,1.8~7.4 kPa。σ=0.035 N·m?1時(shí),Δp波動(dòng)幅度最小,與σ=0.059 N·m?1相比,Δp波幅減小約2.1 kPa??梢哉J(rèn)為,減小表面張力σ,汽液兩相的壓降波動(dòng)幅度減小,汽液兩相流的流動(dòng)穩(wěn)定性提高。
圖6進(jìn)出口流動(dòng)壓降隨時(shí)間的變化曲線





