并联矩形突扩微通道气液两相流动特性研究

作者:刘双婷;焦永刚;高博;王海花 刊名:制冷学报 上传者:姚建平

【摘要】微尺度下的相变强化传热是微电子领域散热的研究热点;而微通道内气液两相流流型和压降分析是微流动系统设计和控制的基础;本文针对并联矩形突扩微通道;通过流型可视化、理论分析及实验研究的方式;对微通道内两相流动特性进行了分析研究;通过可视化实验;在并联矩形突扩微通道内观察到了4种典型流动;分别为泡状流、塞状流、弹状流和环状流;当Qg=110mL/min、Ql=20mL/min时;两相流动流型达到最大程度的射流状态;出现充分流体射流情况;通过建立压降预测模型;结合实验结果分析了压降模型的适用性和精度;结果表明:含有突扩结构的并联矩形微通道在质量流速为367~691kg/(m^2·s)范围内的压降预测模型的平均预测误差为18.56%;优于经典文献中的预测精度;且随着整体压降的增大;预测精度增大;

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随着微电子和集成电路等技术的进步和发展,电子芯片向着功能多、功率高、微小型化方向发展。微尺度散热技术的研究成为电子元器件散热研究的热点[1-2]。但微通道内两相流动的理论研究尚不成熟,主要是由于微通道内流体受力情况与宏观通道流体有很大不同,使得常规尺寸通道的理论规律对微通道的考量误差较大,且不同尺寸的微通道内压降特性及流型变化也存在差异[3],特别是涉及到气液两相在微尺度下的动量和热量输运特性时,两相介质以各种各样的形态存在,进而导致流动流型的不同,而流型变化又对流动稳定性及换热高效性至关重要[4-5]。S. M. Kim等[6]分析总结并通过大量实验数据验证了近年来有关微通道内两相流动的压降预测公式,结果发现:宏观通道的压降预测方法已经不适用于小尺度通道,整体来看,当用宏观通道的压降预测公式预测微通道时,基于均相模型的预测公式的预测效果要优于基于分相模型的压降预测关系式;对于微通道而言,预测精度最高的管段压降预测关系式为H. J.Lee等[7]基于分相模型提出的压降预测关系式。I.Y. Chen等[8-9]分别以空气-水和空气-油为实验工质,研究了微通道内两相流动的流型变化及两相介质流经突扩和突缩结构时的压力损失,分析总结了现有微通道突扩、突缩压降预测关系式,结果发现:当前已有的突扩压降预测关系式大多不能很好的预测尺寸为毫米级别的突扩结构压降。C. C. Wang等[10]研究也发现基于均相模型的突扩压降预测公式预测精度差,并对均相模型下的突扩压降预测公式进行了修正,预测公式平均误差达到了23%。矩形突扩微通道的结构在触发水力空化的同时可以抑制微通道中的工质过热引发的工作不稳定性,具有结构简单、传热系数高、工作稳定等优点。所以研究矩形突扩微通道内的两相流动特性对微尺度换热尤为重要。本文以氮气-水为工质,以并联矩形突扩微通道为实验件,结合当前研究成果中预测效果最好的并联微通道压降预测公式及突扩结构压降预测公式来预测并联矩形突扩微通道整体压降,并通过流型可视化及实验数据分析对微通道内两相流动特性进行理论研究。1实验研究1. 1实验系统及实验过程实验装置由流体控制系统、可视化观测系统及微尺度测量系统组成,如图1所示。实验之前先打开平流泵,用水清洗整个回路,排空回路中的空气。然后打开高压氮气罐的截止阀,调节减压阀,检查气相回路的气密性。实验过程中调整液相流量、气相流量进行实验,用数据采集仪采集数据,并使用高速摄像机采集流型图,通过微尺度测量系统测量系统的压力和温度。图1实验系统Fig.1 Experimental system1. 2实验件结构实验件以尺寸为120 mm×40 mm×8 mm的紫铜为实验材质,采用线切割方式在通道板上加工所需的多通道,每条通道包括宽通道和窄通道两部分,宽通道部分的尺寸为40 mm×0. 4 mm×0. 5 mm,窄通道部分的尺寸为10 mm×0. 2 mm×0. 5 mm,宽窄通道连接处构成了突扩结构。在微通道背部左右两端设有直径为6 mm的圆孔,作为工质的进出口。在进口端设有尺寸为40 mm×20 mm×1 mm的储水槽,使进口工质能达到稳定流动状态后再进入微通道。在实验件通道板上面布有透明有机玻璃板,用于可视化观察,实验件结构如图2所示。图2并联矩形突扩微通道实验件Fig.2 Experimental device of parallel rectangularexpansion microchannel1. 3并联矩形突扩微通道内压降理论分析并联突扩微通道预测压降由以下几部分组成:工质从微通道进口处静水槽突缩流至微

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