微通道中细薄膜区域的传热传质机理研究 卢晓伟.docVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：143703 微通道中细薄膜区域的传热传质机理研究 卢晓伟 (大连海事大学 轮机工程学院16026) (Tel Email:lxwdlmu@163.com) 摘要：本文通过建立数学模型来描述微通道中细薄膜区域的轮廓和传热特性，模型考虑了气体压力梯度和固液接触面滑移等因素。研究了蒸汽压力梯度、固液接触面的滑移、通道高度、离散常数对液膜厚度和细薄膜蒸发热流密度的影响。结果发现：气体压力梯度的存在使液膜长度减小，液膜厚度和热流密度最大值增大；固液表面滑移使液膜长度增大，厚度和热流密度减小；液膜的形状不大随着通道高度和离散常数的增大，液膜铺展性提高，长度变长，热流密度减小。 关键词：细薄膜气体压力梯度滑移通道高度离散数 随着微电子设备的迅猛发展，对于其散热的要求也越来越高，目前，国际上对于传热传质理论的研究越来越深入，从原来的宏观领域，发展到今天的微观，甚至纳观领域。在所有热传递过程中，相变传热无疑是最重要的换热方式之一，其中，细薄膜蒸发传热是相变传热中换热效率高的一种换热方式，因此其得到了广泛的研究，已经成为微尺度装置的主要换热方式之一。 如图1，当液体浸润微通道的固体壁面时，形成的扩展弯月面分为三部分：（1）固有弯月面区域，此区域主要受毛细压力作用（2）过渡液膜区即细薄膜蒸发区域，此区域受毛细压力和分离压力的双重作用（3）平衡稳定区即非蒸发区域，此区域主要受分离压力作用。细薄膜蒸发传热主要发生在第二部分的过渡液膜区，研究其蒸发换热特点及蒸发影响因素对于改善蒸发器的换热特性具有重要意义。 细薄膜蒸发传热受多种物性因素的影响，例如表面张力、分离压力、毛细压力、以及工质热物性等的影响。在过去的几十年中，许多学者采用不同方法来建立细薄膜蒸发数学模型来研究这一传热现象，他们通过设定不同的边界条件得到不同物性因素下的蒸发传热特点。Potash and Wayner首次发现在细薄膜蒸发区域存在压力梯度和热流密度最大值；Hallinan等[2]和DasGupta等[3]建立了一个四阶常微分方程来求解Young-Laplace方程，得到了扩展弯月面的液膜轮廓，着重研究了过热度对轮廓的影响。Park等[4]提出一种数学模型，模型中考虑了蒸汽压力和毛细力，研究了加热的热流密度和蒸汽压力梯度对液膜形状、细薄膜区域长度的影响，结果发现：细薄膜区域的长度随着加热热流的增大呈指数形式递减，蒸汽压力梯度对液膜厚度影响比较大，使其明显减小。Panchamgam等[5]通过实验获得液膜厚度、斜率和曲率的高精度数据，然后将这些数据输入到一个数值模型中，直接计算出液膜表面温度、传热量和热流密度等细薄膜蒸发特性。H.B.Ma.等[6]建立了一个详细的数学模型来预测细薄膜蒸发区域的液体流动和传热，此模型考虑了惯性力、分离压、表面张力、曲率的影响。利用阶比分析法简化模型，通过数值求解得到薄膜轮廓、液面温度、热流密度分布、速率分布等特性。分析发现，虽然惯性力会影响液膜特性，但在非蒸发区域这个影响可以忽略。若给定一个过热度，则流速、热流密度、曲率分别存在一个最大值，但这些最大值所处的位置是不同的。HaoWang等[7]基于Young-Laplace方程建立了一个简化的模型，此模型适用的工质导热系数范围更大，文中获得了一个总传热量的表达式，分析发现，液膜传热量随着分离压力的增大而增大，随着液体粘度的增大而减小。Jun-Jie Zhao等[8]基于扩展的Young–Laplace方程和Clausius–Clapeyron方程建立了一个数学模型用来研究微通道中扩展的蒸发弯月面，液体被吸附的薄膜厚度、通道高度、随温度变化的热物理性能等因素都包含在这个模型中，结果发现，被吸附的薄膜厚度受分离压力的控制，当工质为水时，在过热为20K时达到最小。增大过热度可以减小通道高度对细薄膜蒸发的影响。Kou and Bai[9]将壁面滑移与固液界面的温度跃变联系在一起，结果发现这种温度跃变会减小细薄膜蒸发的传热传质能力。Du and Zhao[10]试图通过改进蒸发模型来量化各因素对蒸发的影响，结果发现，与忽略毛细压力相比，忽略分离压力的影响更小，基质的厚度对总的传热量影响较小。 到目前为止，对于蒸汽压力和壁面滑移条件下的细薄膜蒸发还没有系统的研究，本文将建立新的数学模型对其进行系统的理论分析，得到蒸汽压力梯度、固液接触面滑移、通道高度、离散常数等对细薄膜蒸发区域的液体流动和热传递的影响。