2.4表面張力對換熱特性的影響

微通道內的汽液兩相流動與其換熱特性密切相關，沿流動方向的加熱壁面溫度Tw、Nu分布常用于表征流動沸騰過程中汽液兩相流的換熱特性。下面從Tw、Nu沿流動方向的變化以及微通道內的局部過熱分布等方面研究表面張力對換熱特性的影響。

t=40 ms時刻，Tw、Nu的分布分別如圖7,8所示(不包括Tw>395 K,Nu>68以及異常過熱點的值)，圖8中Nu按文獻[11]提出的公式計算得出。

圖7加熱壁面溫度沿流動方向的變化(t=40 ms)

從圖7可以看出：對應3種σ，從入口至11 mm區(qū)域內，Tw都呈上升趨勢，逐漸增大至379 K左右(圖7中Tw=379 K紅色虛線處)；在11 mm之后的區(qū)域，Tw出現(xiàn)波動，且差異明顯。σ=0.035 N·m?1時，Tw波幅最小，超過90%的Tw均為379~384 K，而σ=0.059 N·m?1時，Tw的波幅達19 K。

圖8加熱壁面Nu沿流動方向的變化(t=40 ms)

從圖8可以看出：對應不同σ，沿流動方向的0~11 mm區(qū)域，Nu均呈下降趨勢；在11 mm至出口處，Nu則出現(xiàn)不同程度的波動。與σ=0.059 N·m?1相比，σ=0.035 N·m?1對應的Nu的波動幅度降低近70%，約95%的Nu為12~24。可見，表面張力σ對沿通道11~20 mm區(qū)域的Tw和Nu的波動及其程度有較大影響，減小σ，彈狀流向拉伸汽泡流的轉變滯后，且汽泡尺寸減小，汽液兩相流動穩(wěn)定性增加，相應地，Tw和Nu的波幅減小，換熱也相對穩(wěn)定。此外，相對于起初階段的泡狀流區(qū)域，彈狀流和拉伸汽泡流的換熱惡化，影響換熱的可靠性。微通道內汽液兩相流的不穩(wěn)定會導致通道局部過熱(尤其是彈狀流、拉伸汽泡流階段)。

t=40 ms時，距離入口9~15 mm處通道內的溫度分布云圖如圖9所示。

圖9距離入口9~15mm通道內的溫度分布(t=40 ms)

從圖9可以看出：σ=0.035 N·m?1時，通道內存在3處局部異常過熱(圖9中綠色區(qū)域，該處指T>400 K的情況)；而σ=0.059 N·m?1時，通道內異常過熱區(qū)域則增加至8處(圖9c)。圖9d中I,II分別對應圖9a中I處、圖9c中II處的溫度等值線圖。比較σ分別為0.035,0.059 N·m?1這2種情況，最高過熱度ΔT從600 K飚升至1200 K，圖9a中III處的壁面及流體的溫度為373~392 K(圖9d)，ΔT最高僅為20 K。汽泡與壁面之間的液體微層是決定通道內是否局部異常過熱的根本原因。微通道內汽泡的形態(tài)如圖10所示。

圖10微通道內汽泡的形態(tài)

圖10a中汽泡與加熱壁面間存在一定厚度的液體微層，由壁面導出的熱量使微層內的液體迅速汽化，吸收汽化潛熱，實現(xiàn)熱質的快速遷移。因此，壁面不會出現(xiàn)局部異常過熱(圖9d中III處)；圖10b則不同，汽泡與壁面間的液體微層不連續(xù)，局部出現(xiàn)缺液，發(fā)生干涸，汽相充斥于壁面附近，近壁區(qū)傳熱熱阻顯著增加，導致壁面熱量難以轉移，壁溫迅速升高，以局部干涸點處的壁溫為溫度最高點，向鄰近區(qū)域發(fā)生熱量擴散，形成圖9d中I,II處的溫度梯度。比較發(fā)現(xiàn)：相對于σ為0.059 N·m?1，σ為0.035 N·m?1時微通道內的局部異常過熱區(qū)域減少約3/4，最高過熱溫差ΔT降低約600 K，換熱更可靠、安全。

3結論

1)表面張力不同，微通道內的汽泡演變和汽液兩相流型發(fā)展有所差異，但沿流動方向均依次呈現(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，對應較小的表面張力，彈狀流向拉伸汽泡流的轉變相對延遲，拉伸汽泡的長度縮短近1/2，有利于維持汽液兩相流動的穩(wěn)定性。

2)汽泡演變引起的擾動、漩渦和汽塞及汽液兩相速度分布不均是汽液兩相流流動不穩(wěn)定的主因。減小表面張力，汽液兩相的壓降波動幅度降低約2.1 kPa，汽液兩相流的流動穩(wěn)定性提高。

3)相對于初始的泡狀流區(qū)域，彈狀流和拉伸氣泡流區(qū)域的換熱惡化，表面張力對彈狀流、拉伸汽泡流階段的壁溫、Nu的波動及其程度有較大影響，減小表面張力，加熱壁面的壁溫、Nu的波動幅度減小，換熱穩(wěn)定性增強；與σ=0.059 N·m?1相比，σ=0.035 N·m?1對應的微通道內的局部異常過熱區(qū)域(壁溫超過400 K的區(qū)域)減少約3/4，最高過熱溫差降低約600 K，換熱更可靠、安全。