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。這與通過沸騰試驗(yàn)得到的490μm矩形通道內(nèi)觀測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，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、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(從距離入口7.0 mm處持續(xù)到14.5 mm)。相對而言，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。可以發(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)變相對延遲，拉伸汽泡的長度縮短近1/2，較長的拉伸汽泡充塞通道對維持汽液兩相流動(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)定性問題尤為突出。通道內(nèi)汽、液相的流速分布可反映沸騰過程中兩相流動(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，汽泡對流動(dòng)擾動(dòng)增強(qiáng)，且隨著汽泡的急劇生長，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)；對照圖5b，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。可以認(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