微通道内流动沸腾的研究进展

微通道内流动沸腾的研究进展第30卷第2期 2009年4月徽通道内流动沸麝的研究进晨 Vo1．30,No．2 April．2009 文章编号：0253-4339(2009)02-0001—07 微通道内流动沸腾的研究进展张鹏付鑫王如竹 (上海交通大学制冷与低温工程研究所上海 200240) 摘要微通道内的流动沸腾在能源、电子冷却、生物医疗等高新技术领域有着广泛的应用。对微通道内流动沸腾的研究进展进行了综述，研究工质涉及到水、制冷剂、液氮等，内容包括微通道与常规通道的划分，微通道的传热特性、临界热 ...

第30卷第2期 2009年4月徽通道内流动沸麝的研究进晨 Vo1．30,No．2 April．2009 文章编号：0253-4339(2009)02-0001—07 微通道内流动沸腾的研究进展张鹏付鑫王如竹 (上海交通大学制冷与低温工程研究所上海 200240) 摘要微通道内的流动沸腾在能源、电子冷却、生物医疗等高新技术领域有着广泛的应用。对微通道内流动沸腾的研究进展进行了综述，研究工质涉及到水、制冷剂、液氮等，内容包括微通道与常规通道的划分，微通道的传热特性、临界热流密度、压降特性、主要流型以及流型转变、不稳定性的主要形式及产生机理等。同时指出了微通道内流动沸腾进一步的研究工作。关键词工程热物理；微通道；流动沸腾中圈分类号：TK121 文献标识码：A Review on Flow Boiling in M icro·--channels Zhang Peng Fu Xin Wang Ruzhu (Institute of Refrigeration and Cryogenics，Shanghai Jiaotong University，Shanghai，200240，China) Abstract Flow boiling in micro-channels has attracted great attention due to its wide application in energy technology ．electronic cooling，bio-medical techn ology and other high-tech fields．In the present paper，recent work on flow boiling in micro-channels is described including heat trans~r and pressure drop characteristics，critical heat flux，flow regimes an d transitions，an d flow instabilities in micro—channels，as well as the classification of macro—an d micro—channels．In addition，the further research on flow boiling in mi cro-channels is suggested． Keywords Engineering thermophysics；Micro—channel；Flow boiling 微通道内流动沸腾在能源、电子冷却、生物医疗等高新技术领域有着广泛的应用。例如，在一些能量密度较高的微小型器件如电子芯片、高能激光二极管等微型设备中，散热量的要求达到了 300W／cm [1】，需要采用换热系数大、结构紧凑的微管换热器进行冷却换热；车用空调中的微通道换热器、空分设备的紧凑式板翅换热器以及低温医疗领域的微型低温医疗器械等是微通道流动沸腾的典型应用；超导磁体和超导电缆冷却中冷却剂流动的通道尺寸进入了微通道的范畴。研究表明，微通道内的相变换热成为国内外传热领域的研究热点[2】。微通道与常规通道的划分是一个重要的前提。Kandlikar【3 参考了大量的微通道两相流的研究成果，在常规通道和微通道之间加入了小通道，认为：D^ >3．0mm，常规通道；200pm 总结了几种临界直径判别标准，发现各判据间差别很大，对于实验工况下R-134a的临界直径为2．88mm。对于微通道与常规通道的划分，人们对此的认识还并不完善，还需要进一步的实验研究。为了简化需要，文中把小通道和微通道统称为微通道。微通道内流动沸腾的研究范围主要包括：微通道内流动沸腾的换热和压降特性研究；微通道对流动沸腾中气泡生长和流型转变影响的研究；微通道内两相流动不稳定的特点及其产生机理的研究作者联系方式：E-mail：zhangp@sjta．edu．cn 收稿日期：2008年8月7日第3O卷第2期 2OO9年4月制冷学报 JournalofRefrigeration VoL30,No．2 April．2DD9 等。文章针对这三个基础性问题，总结了国内外在微通道流动沸腾的研究进展。 1微通道流动沸腾的传热特性 1．1传热机理和传热模型人们对水、制冷剂等工质在微通道内流动沸腾的换热特性进行了广泛的实验研究。如， Comwell和KewESI研究了R-1 13在两种水平矩形通道1．2mm×0．9mm和3．25mm×1．1mm内的流动沸腾。实验结果表明：在低干度的泡状流区域，表现出充分发展的核态沸腾的特征；在高干度的环状流区域，对流蒸发起主导作用。这与常规通道中较为相似。Raviguruajan等[9】研究了I 124在宽为 270~m、深为1．0mm的微通道内的流动沸腾，发现随着热流密度增加，传热系数减小。他们认为，微通道内核态沸腾机理是决定性的：高干度会抑止核态沸腾；高的空泡份额会带来流动不稳定而降低换热系数。Qi等[5 】以液氮为工质，对直径为0．531、 0．834mm、1．042mm和1．93lmm四种竖直上升圆管内的流动沸腾进行了系统的实验研究，认为微通道的流动沸腾换热可以划分为两个区域：低干度区域，换热主导机理为核态沸腾，换热系数决定于热流密度和压力；在高干度区域，换热由对流蒸发主导，换热系数主要决定于质量流量，与热流密度无关。大量的实验结果表明：微通道内的流动沸腾换热机理可以分为三类：核态沸腾主导机理、对流蒸发主导机理和两者共同作用机理。核态沸腾以连续的气泡核化、生长和脱离为特征；对流蒸发的特征是热量先通过热传导和对流由壁面经薄液层传递到气液界面，然后由对流蒸发传递给主流流体。表 l yr]出了流动沸腾换热机理的主要研究结果。研究者们首先尝试对把常规通道中广泛应用的实验关联式应用于微通道。Zhang等【l 把常规表1微通道中流动沸腾换热研究 Tab．1 Summary of flow boiling heat transfer characteristics studies in mierochannels 第3O卷第2期 2009年4月徽通道内流动沸腾的研究进晨 yo1．3o．No．2 2009 通道内的Chen模型[1 用于微通道内的流动沸腾，他们的关联式通过对水、R11、R12和R1l3的实验数据拟合得到，平均误差为18．3％。Kandlikar和 Balasubramaniant 】将Kandlikar常规通道的流动沸腾传热模型扩展到微通道。Thome和 Dupont 】根据微通道实验中观察到的典型流型一弹状流，提出了一个三区域传热模型用来描述微通道内弹状流的沸腾传热，如图1所示。此流型表现出如下的特点：在通道内循环的依次出现三个区域：1)液团 (1iquid slug)；2)加长气泡。(elongated bubble)；3) 烧干区域(dry zone)。模型中气泡出现频率、气泡长度、初始液膜厚度等参数将决定传热系数。圈1三区域传热模型示意圈‘捞1 Fig．1 Schematic of three-zone evaporation model【，l 微通道内流动沸腾的换热机理还需要进一步深入细致的研究，准确的传热模型应该包括水力直径、表面粗糙度、流型、不稳定性等相关参数的影响。 1．2微通道II缶界热流密度如何预测微通道内流动沸腾的临界热流密度 (CHF)是实际应用中的关键问题之一。Bowers和 Mudawart2~J测试了面积为10mm 、厚度为1．59 mm 的镍块上的1组 (17个)圆形微通道的临界热流密度，发现热流密度与液体过冷度无关，而与流量成正比，并提出了临界热流密度的无量纲关联式。后来Qu和Mudawar[21 J对热沉上的矩形微通道组包括 21个微通道的临界热流密度进行了全面的研究。他们把水和R1 13的临界热流密度的414个实验点与常规通道内广泛应用的Katto-Ohno关联式[22 进行了比较，发现关联式的预测结果较好。Wojtan等[23 对内径为0．5和0．8mm的不锈钢管内R134a和R245fa的临界热流密度进行了研究，发现临界热流密度与流量，加热长度以及通道直接有密切关系。实验结果与Katto-Ohno关联式以及Qu和Mudawar的多通道关联式的预测结果相差较大。他们后来提出了一个 Katto-Ohno的微观型式的关联式，用于预测微通道内单管的临界热流密度： ‰ -o．437 们㈢-0．72Gh 2) WeL：液体韦伯数；：加热段长度 I．G：汽化潜热；G：质量流量然而，到目前为止还没有一个广泛接受的模型来预测微通道内流动沸腾的临界热流密度。还需要更多高质量的实验数据，广泛研究过冷度、物性、管径、截面几何形状、多通道型式等参数对临界热流密度的影响。 2微通道流动沸腾的压降特性 2．1粗糙度对压降的影响很多研究者认为微通道与常规通道在压降特性上的差异是由于表面粗糙度的作用。微通道内粗糙度对压降的影响的实验研究大部分是单相气体或液体。Wu和Little【2 研究了水力直径范围为 (55．8-83．1)lxm的通道内气体的压降特征，实验表明，微通道内粗糙度或者相对粗糙度的增加会使得层流到湍流的转变提早。Qi等[2 研究了内径从 (O．5~2．0)mm液氮的单相压降，指出相对粗糙度越大，微通道内摩擦系数会越大。对于微通道两相流，粗糙度对压降的影响实验难度较大，Choi等、Yu等研究了水力直径在(3~102)um范围内氮气一水两相流动时的压降。实验结果表明，两相流在层流和湍流区的摩擦系数都低于常规关联式的预测结果。Groce等[2剐采用数值方法研究了粗糙度的三维特征对压降的影响，结果表明粗糙度对压降的影响非常大。 2．2微通道内压降模型和实验关联式管径对流型的转变有显著影响，具体表现为摩擦压降和加速压降表现出不同常规通道的特点。 Lazarek和Blackt加对微通道内的压降进行了系统的研究，提出摩擦压降采用如下关联式： — AP — re ： 1+—C — + 1 APLD )c )Cj=；其中)C Martinelli参数，下标TP表示两相值，LO对应完全是液相时的值。他们发现C=30 时，预测值与实验值较为吻合；而对于常规通道， Collier推荐使用C=20。 Martinelli和Nelsont 采用分相模型计算加速压降： - -- — — 3 ···一第30卷第2期 2009年4月制冷学报 JournalofRefrigeration yol3o No．2 April．2009 丝： I 益 —(1-—x)2一益一! 二 G ／(2pL) sol PG 1一 1一 } (4) 其中表示干度，仪表示空泡份额，表示经验常数。Lazarek和Black发现K~a=2．5能够使大部分的数据的预测误差在±20％之内。 Jassim和Newell[3~]的研究结果为两相流压降研究提供了新的思路，他们考察了各种流型在微通道内出现的概率，基于此提出了一种基于流型的概率压降模型。以上对微通道内压降的研究表明，大部分的微通道两相流压降模型和实验关联式都是从有关常规通道比较成熟的模型出发，对一些系数进行修正，而通道尺寸对压降的影响机理并没有研究清楚。 3微通道内的流型特性流型及流型转变的研究是流动沸腾研究最基本的课题之一，是精确研究两相流中摩擦阻力系数、传热传质系数、相含率、临界热流密度和流动不稳定性的前提。 3．1流型不同于常规通道，微通道两相流由于受重力影响较小，表面张力作用显著，因此水平和竖直方向上两相流动的流型相似，流型受倾斜角度影响较小。流型的划分受主观因素影响较大，一般来说，微通道中典型流型为泡状流、弹状流、搅拌流和环状流。很多研究者根据所观测到流型的一些细节上的特点，把每种典型流型又加以细分。很多研究者在微通道中发现了表征微通道特点的受限气泡流。受限气泡流不同于弹状流，气泡的前段和尾端都呈圆形，这是气泡生长过程中受到壁面限制的结果，如图2所示，在图中表示出了液氮在直径为1．042mm的微通道中的典型流型。随着流动速度和干度的增加，流型依次从泡状流逐渐过渡到环状流。Serizawa和 Feng[3 对内径为0．05mm 的圆管内蒸气一水的流型研究中，发现了一种新流型 “liquid ring flow”。他们在对水力直径为0．02 mm的空气一水混合物的研究中也发现了 “liquid ring flow”，而且发现另一种特别的流型，他们命名为 “liquid lump flow”。在水力直径为0．2mm和 0．525mm的矩形管内，Cubard和Ho【] 以空气一水为工质，在泡状流和弹状流之间，发现一种中间流型，验证了Serizawa和Feng发现的新流型。 · —-— — 4 ·-——— 泡状流泡状流 0．07 m／s s =0．08 m／s x=0．017 s =0．09 m／s s =o．08 m／s x--0．019 弹状流搅拌流 1．28 m／s s ．11 m／s x=0．083 _2．90 m／s s =0．12 m／s x=O．124 受限气泡流 s ． 86 m／s 己 =0．11 m／s x=o．064 环状流 s =4．01 m／s s =0．12 m／s x=o．201 图2内径为1．042mm圆管内液氯流动沸腾的典型流型13 Fig．2 Typical patterns of the two—phase flow of liquid nitrogen in 1．042 mm micro-tubep 】值得注意的是，上述部分的研究采用空气一水作为工质，研究两相流动的流型特性，并没有考虑传热特性。由于流动沸腾和绝热两相流动在传热传质上的差别，两者在流型和流型转变会有一些差异，对此还需要进一步的实验研究。 3．2流型图与流型转变在流型研究的基础上，研究者们从工质物性、水力直径、截面几何形状等方面来研究微通道内两相流的流型转变，并绘制出流型图。 Damianides和 Westwater[34]很早就研究了直径从 (1-5)nlnl水平玻璃管内空气一水两相流的流型，绘制了流型图，发现管径对流型转变有显著影响，随着管径的减小，流型图上相应的转变曲线向较高的表观气体速度方向移动。Fukano和 Kariyasakit35]绘制了内径为1．0mm、2．4mm和4．9mm的水平和竖直圆管内空气一水的流型图，指出，当管径达到一临第30卷第2期 2009年4月微通道内流动沸腾的研究进展 vol3o。No．2 April．2009 界值时，表面张力对流型转变有显著影响。Yang 等【】在微通道内分别以水与R1 34a为工质，绘制了流型图，分析了工质对流型转变的影响，指出表面张力对流型转变影响较大，表面张力越大，相应的流型转变会提早。根据实验绘制的流型图，因为其工质和实验范围等的限制，普适性较差。人们把常规通道内比较成熟的流型转变理论模型推广到微通道。Zhao 和Bi[。】研究了水力直径为2．886mm、1．443mm和 0．866mm的准三角形截面竖直向上通道内空气一水的流型转变。分别用Taitel【3 、Mishima和Ishii等[3 9】的理论模型预测结果与实验结果对比，发现偏差较大。其他很多学者也发现常规通道的流型转变模型对微通道预测偏差较大。微通道内流型转变不同于常规通道，目前对其机理的研究还不充分，需要进一步的理论和实验研究，微通道的理论模型应该建立在对微通道流型转变机理充分认识的基础上。目前最常用的流型图，是以气体和液体表观速度为坐标。其特点是简单明了，便于应用。然而表观速度并不能反映出表面张力、水力直径等对流型图的影响。无量纲韦伯数表征惯性力与表面张力的比值，正与微通道内两相流动重力可以忽略、表面张力作用显著的规律相符，因此一些研究者建议采用韦伯数作为坐标来绘制流型图。Fu等[4 对内径为1．93lmm竖直上升圆管内液氮流动沸腾的流型转变进行了实验研究，绘制了韦伯数流型图，如图 3所示。整个流型图划分三个区域：表面张力控制区(泡状流，弹状流)、惯性力控制区(环状流)、过渡区(搅拌流)。 WeGS 图3液氮在1．931ram管内流动沸腾的韦伯数流型图等H Fig．3 Flow map in the coordinates of W eber number for the 1．931 mm mini—tube『40l ‘ 4微通道内两相流动不稳定性两相流不稳定性指两相流动过程或者相变过程中压力、温度和流量等参数发生周期性或非周期性的波动。两相流不稳定会影响局部的传热特性，造成传热恶化。微通道内两相流动的不稳定性现象出现频繁，各种不稳定现象在频率、振幅上表现出差异性。 Hetsroni[ 1]等在研究水平微通道管束中发现了在高热流密度条件下，通道内会发生准周期性的干涸和润湿。Kandlikar等[42 在微通道蒸发器中，发现了大振幅的波动，借助于可视化手段，发现微通道内出现倒流，指出倒流是因为气泡的膨胀推动气液界面上下波动。Brutin等【研究了单通道内不稳定性的特点，用无量纲微通道出口干度和入口雷诺数为坐标，绘制了不稳定性图，划分了稳定区域和不稳定区域。以上文献中所报道的不稳定性周期较短 (小于 1S)，形成机理是由于微通道内气泡的生长、聚合和破裂等过程引起的。Wu和Cheng等H 在对水力直径为186~tm的梯形截面多通道内水的流动传热特性研究中发了3种长周期、大振幅的波动。其中一种波动周期为212s，泡状流持续197s，单相液相持续5s。他们发现壁温、压力、流量等参数长周期大振幅的波动，认为流量和压降的反相是波动产生和维持的原因。xu等[4 在矩形截面为300／~m X 800／ma 多通道紧凑式换热器中发现了周期为117s的波动。 Fu等[40 在1．93lmm竖直向上圆管内液氮流动沸腾的可视化研究中观测到了长周期、大振幅的波动现象，并获得了与波动相对应的实时的流型，如图4 所示。这里认为这种长周期大振幅的波动本质上是压力降型波动，是由于系统中存在的可压缩空腔与加热管道之间相互作用引起的，对此还有待进一步的实验和理论验证。 5总结与展望文章对微通道内流动沸腾进行了综述，得到结论如下： 1)微通道内流动沸腾的换热机理，研究者们一般从核态沸腾和对流蒸发这两种机理的相互关系上加以研究，并未形成统一的认识。还需要进一步的理论和实验研究，从流量、热流密度和干度等多参数测量研究方面来确定这两种机理的相互作用以及作用区域。微通道内流动沸腾换热系数的模型和关联式大多是对常规通道进行修正而得到的，并没有充分考虑微通道内流型和流型转变的新特点。第30卷第2期 20o9年4月制冷学报 JournalofRefrigeration VoL30,No．2 April 2oO9 2)大部分微通道流动沸腾的压降研究是根据实验结果来修正常规通道中压降各项中的摩擦压降、重力压降和加速压降的大小。管径对压降的具体影响并没有研究清楚。． — - - - — — Inletpressure 一一一 · Outletpressure ． ⋯ - 一 Pressure drop — — · 一Massflux ．．．．，．． f ．： Time／s (a) l - ’ I·___-JH’。。‘‘H 。●}Il● _-● 。。 H。。 H‘。 h·。II● ●●●● 。。’H’。。。‘ —_． Tin 。 + 。 — — — — Heatflux。．．．．．．．．．．．．·．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．¨ ．．．．．．¨ ·．． Time／s (b) 0 ．5 ．0 ．5 ．0 5．5 s 13．0 s 18．5 s 22．5 s 28．0 s 30．0 s 33．5 s 35．5 s 37．5 s 39．0 s (c) 图4内径为1．931mm圆管内液氮流动沸腾的波动 G=277．4kg／m s．q=1．15 W／cm ： (a)流量和压降；(b)温度和热流密度；(c)流型 Fig．4 Two—phase flow instability for the mini-tube with inner diameter of 1．931 mm at G=277．4kg／m2s．q=1．15W ／ cruZ：(a)mass flux and pressure；(b)temperature and heat flux；(c)flow pattern variation[40’ ·- -- - 6 ----— 3)微通道内两相流动出现了一些不同于常规通道的新流型，如受限气泡流等。随着尺度的减小，表面张力对流型转变影响显著，在微通道内重力对流型转变的影响较小。截面几何形状，实验段倾斜角度对流型转变的影响较小。需要进一步的可视化实验，扩大实验参数的范围，探索微通道流型的新特点，总结流型转变的一般规律。 4)微通道内两相流不稳定现象频繁，形式丰富，包括倒流现象，因气泡聚合破裂带来的不稳定性以及与整个系统有关的长周期大振幅的波动。此研究还处于初步阶段，还需要大量的实验研究。参考文献『l1 Thome J R．State-of--the—art overview of of boiling and two—phase flows in microchannels『J1．Heat Transfer Engineering，2006，27(9)：4—19． [2] 过增元．国际传热研究前沿一微尺度传热 [J】．力学进展， 2000，3O(1)：1—6．(Guo Z Y．Frontier ofheat transfer-- microscale heat transfer[J]．Advance in Mechanics，2000， 30(1)：1—6．) 『31 Kandlikar S G．Fundamental issues related to flow boiling in mincharmels and microchannels ．Exp．Therm．Fluid Sci．，2001，26：389-407． f41 Kew P A，Comwell K．Correlations for the prediction of boiling heat transfer in small—diam eter channels[J]．App1． Therm．Eng．，1997．17：705-715． [5] Qi S L，Zhang P，Wang R Z，et a1．Flow boiling ofliquid ni~ogen in micro-tubes：Part I—The onset of nucleate boiling，two—phase flow instability and tw o-phase flow pressure drop ．International 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微通道内流动沸腾的研究进展

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