鋁基微通道內(nèi)納米流體飽和沸騰及可視化研究

羅小平，涂華營，鄧君

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鋁基微通道內(nèi)納米流體飽和沸騰及可視化研究

羅小平，涂華營，鄧君

(華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州，510640)

分別以去離子水及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%，0.6%和0.9% Al2O3納米流體為工質(zhì)，在截面寬×高為0.3 mm×2.0 mm矩形鋁基微通道內(nèi)進(jìn)行沸騰換熱實(shí)驗(yàn)，并利用高速攝像儀進(jìn)行可視化研究，分析熱流密度、雷諾數(shù)、壁面粗糙度對(duì)流體傳熱系數(shù)的影響，探究流體流型變化與氣泡生長規(guī)律。研究結(jié)果表明：納米流體與去離子水的飽和沸騰傳熱系數(shù)隨熱流密度的增加而快速增大，努塞爾數(shù)隨雷諾數(shù)增大而增大但增幅不同，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%，0.6%和0.9%的3種納米流體的比去離子水的分別提高約8%，13%和16%；在相同熱流密度及質(zhì)量流速條件下，納米流體與去離子水的傳熱系數(shù)均隨傳熱壁面粗糙度的增加而增大；流體流型的變化呈現(xiàn)周期性，增大熱流密度，可縮短氣泡生長周期，泡狀流比例增加。

微通道；納米流體；傳熱系數(shù)；粗糙度；可視化

受現(xiàn)代社會(huì)高新科技的快速發(fā)展的推動(dòng)，微電機(jī)系統(tǒng)、精密農(nóng)業(yè)機(jī)械、生物醫(yī)學(xué)等科技產(chǎn)品朝著高度集成化的方向發(fā)展，由于它們的熱流密度較高，微空間的傳熱冷卻問題亟待解決[1]。在此背景下，以微尺度相變理論為基礎(chǔ)的微通道內(nèi)兩相流動(dòng)沸騰傳熱的研究變得極具研究潛力，微空間內(nèi)的高效散熱問題也受到新型科技產(chǎn)品的青睞。Dai等[2?3]發(fā)現(xiàn)將高導(dǎo)熱性能的納米流體應(yīng)用于微通道中，利用工質(zhì)的相變潛熱使元件的換熱表面保持在安全溫度以下，可大大提高電子元件的工作壽命。近年來，人們對(duì)微尺度傳熱的研究已取得了一定的成果。Qu等[4?5]致力于研究微通道換熱器內(nèi)兩相流沸騰流動(dòng)傳熱，他們發(fā)現(xiàn)在熱力學(xué)平衡干度零點(diǎn)附近，流型突然轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)流，傳熱的主導(dǎo)機(jī)理為強(qiáng)制對(duì)流沸騰傳熱，同時(shí)他們建立了環(huán)流預(yù)測模型。Lee等[6]進(jìn)行了硅基微通道內(nèi)的飽和沸騰傳熱及壓降的實(shí)驗(yàn)研究，修正得到了適合其實(shí)驗(yàn)條件的傳熱系數(shù)計(jì)算公式。Kim等[7?8]基于前人的實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)，建立起微通道傳熱的數(shù)據(jù)庫，并利用數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)對(duì)先前的傳熱系數(shù)計(jì)算公式進(jìn)行了驗(yàn)證性評(píng)價(jià)。常威等[9]對(duì)豎直微通道內(nèi)水沸騰過程中氣泡的生長形態(tài)及傳熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。但截至目前仍然沒有一個(gè)普適的統(tǒng)一理論模型來深入解釋沸騰傳熱的本質(zhì)機(jī)理。本文作者通過矩形微槽道內(nèi)Al2O3納米流體的換熱實(shí)驗(yàn)，旨在研究納米流體流動(dòng)沸騰過程中熱流密度、壁面粗糙度等因素對(duì)微通道流體沸騰換熱效果所產(chǎn)生的影響，同時(shí)利用高速攝像儀進(jìn)行氣泡生長及流型變化的可視化研究。通過探討微通道內(nèi)納米流體沸騰傳熱機(jī)理，以期對(duì)已有沸騰理論進(jìn)行補(bǔ)充和完善。

1　實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1所示為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括水箱、高溫水泵、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、實(shí)驗(yàn)段、除泡器、傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)、高速攝像儀等設(shè)備。流體及信號(hào)流向如圖1中箭頭所示。工質(zhì)由高溫?zé)崴脧乃渲谐槌?，一部分通過回流管道流回水箱，另一部分流經(jīng)過濾網(wǎng)和轉(zhuǎn)子流量計(jì)后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段。設(shè)計(jì)回流旁路可方便控制實(shí)驗(yàn)段流量和壓力。從實(shí)驗(yàn)段流出的工質(zhì)已是氣液兩相的混合流，經(jīng)過除泡處理后再流回水箱，實(shí)現(xiàn)循環(huán)實(shí)驗(yàn)。高速攝像系統(tǒng)置于試驗(yàn)段側(cè)面。

實(shí)驗(yàn)段采用一體式結(jié)構(gòu)，材質(zhì)均為鋁合金，能夠保證實(shí)驗(yàn)段具有良好的傳熱性能。實(shí)驗(yàn)段開有4對(duì)壁面測溫孔，采用鎧裝型Pt100熱電阻進(jìn)行測溫。加熱板和槽道基體之間通過導(dǎo)熱硅脂連接，整個(gè)實(shí)驗(yàn)段由保溫棉包裹，以減少熱量損失。

圖2所示為實(shí)驗(yàn)段通道截面示意圖，具體參數(shù)取值如表1所示。圖2和表1中：為槽道個(gè)數(shù)；c為槽道寬；t為槽道間距；c為槽道高；p為蓋板厚度；b為基座厚度；ud為上下測溫點(diǎn)間距；wu為上測溫點(diǎn)到槽道底部的距離；h為槽道水力直徑。

1, 2—PC工控機(jī)；3—高速攝像儀；4—強(qiáng)光源；5—數(shù)據(jù)信號(hào)；6—實(shí)驗(yàn)段；7—溫度壓力傳感器；8—調(diào)壓器；9—除泡器；10, 14—控制閥1；11—轉(zhuǎn)子流量計(jì)；12—數(shù)據(jù)采集卡；13—過濾網(wǎng)；15—水泵；16—保溫水箱；17—PID恒溫控制器

圖2 微通道橫截面示意圖

表1 槽道尺寸參數(shù)的取值

1.2納米流體的配置及其熱物理性質(zhì)

實(shí)驗(yàn)所用水基Al2O3納米流體采用共混法[10]制備。為防止納米流體產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象，在流體中加入體積分?jǐn)?shù)約1%的醋酸，形成納米粒子懸浮液，攪拌10~20 min形成含納米粒子顆粒的水溶膠，輔以超聲波震蕩儀進(jìn)行振動(dòng)，使納米粒子均勻、穩(wěn)定地分散在液體介質(zhì)中。

若納米顆粒黏度過高，則在實(shí)驗(yàn)過程中可能會(huì)附著在槽道壁面而降低傳熱性能，因此，實(shí)驗(yàn)配置的Al2O3納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較少，分別為0.3%，0.6%和0.9%。同時(shí)由于納米粒子直徑極小，這樣避免了通道的磨損或阻塞，也幾乎不會(huì)影響系統(tǒng)的阻力損失。

實(shí)驗(yàn)中所用納米流體的相關(guān)物性參數(shù)計(jì)算式為[11]：

式中：下標(biāo)nf表示納米流體；f表示去離子水；p表示納米顆粒；為密度；為導(dǎo)熱系數(shù)；為黏度；為質(zhì)量分?jǐn)?shù)；為體積分?jǐn)?shù)。

實(shí)驗(yàn)采用LVDV?П型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)對(duì)Al2O3納米流體實(shí)際黏度[12]進(jìn)行測量。3種濃度的納米流體及去離子水在飽和溫度下的物性參數(shù)如表2所示。

1.3微槽道壁面粗糙度的表征

圖像灰度在空間以紋理變化形式生成的圖案是對(duì)真實(shí)物體表面固有特征的體現(xiàn)，表面的微小起伏不平以及凹坑、破碎等細(xì)微缺陷也可表現(xiàn)為不同的紋理基元排布規(guī)律。統(tǒng)計(jì)并分析表面數(shù)字圖像的灰度直方圖，可以掌握壁面紋理和灰度信息，從而評(píng)定壁面粗糙度情況[13]。

灰質(zhì)化處理主要是消除圖像中RGB的色彩信息，本文選用1種常見的加權(quán)平均算法：

式中：為某一像素點(diǎn)灰度信息；ed，re和lu為該像素點(diǎn)三原色分量。

對(duì)于本次實(shí)驗(yàn)，中值濾波可表述為：

經(jīng)上述處理后，得到灰度計(jì)算公式。

1.4數(shù)據(jù)處理

本實(shí)驗(yàn)中由于鋁導(dǎo)熱性能較好，熱平衡偏差較小，且在通道飽和沸騰區(qū)域內(nèi)，壁面溫度相對(duì)穩(wěn)定因而可以認(rèn)為在鋁制基座內(nèi)的熱量均沿如圖2所示截面?zhèn)鬟f，而忽略通道壁面沿流動(dòng)方向的熱傳遞[14]。

流動(dòng)工質(zhì)與微通道壁面之間的傳熱系數(shù)為

式中：為對(duì)流換熱面積，即微通道底面和兩側(cè)總面積；為流動(dòng)工質(zhì)帶走的總熱量，

Δm為流體與壁面的平均溫差，

有效熱流密度為

雷諾數(shù)為

表2 納米流體物性參數(shù)

努塞爾數(shù)為對(duì)流傳熱系數(shù)與導(dǎo)熱系數(shù)的比率：

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1熱流密度對(duì)傳熱的影響

泡核沸騰傳熱機(jī)理的一個(gè)重要特征是傳熱系數(shù)隨熱流密度的變化較快。實(shí)驗(yàn)探究熱流密度對(duì)納米流體傳熱的影響，得到納米流體在不同熱流密度下的傳熱系數(shù)。圖3所示為納米流體質(zhì)量流速為198.14 kg/(m2?s)時(shí), 0.3 mm×2.0 mm微通道傳熱系數(shù)與熱流密度的關(guān)系。

1—質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9%的納米流體；2—質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的納米流體；3—質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的納米流體；4—去離子水

顯然，納米流體與去離子水的傳熱系數(shù)均隨熱流密度的增加而快速增加。這個(gè)結(jié)論與文獻(xiàn)[15]提出的中沸騰數(shù)理論結(jié)果相吻合。并且熱流密度增加時(shí)，壁面與流體間的瞬時(shí)溫差增大，氣化核心產(chǎn)生氣泡的速度以及氣泡脫離直徑增加，使液體所受擾動(dòng)加劇，增強(qiáng)了流體與壁面的換熱。此結(jié)論也將在可視化研究中得到體現(xiàn)。在本實(shí)驗(yàn)中，泡核沸騰傳熱機(jī)理起到主導(dǎo)作用。

另外，由圖3可以發(fā)現(xiàn)，在相同的質(zhì)量流速下，納米流體的換熱系數(shù)比去離子水的換熱系數(shù)高14%左右?？梢娂尤爰{米顆粒會(huì)增加流體的導(dǎo)熱系數(shù)，同時(shí)由于顆粒之間、顆粒與基液以及顆粒與壁面之間的相互作用及碰撞會(huì)增加流體分子之間動(dòng)量和能量的交換，從而強(qiáng)化了傳熱。

2.2雷諾數(shù)對(duì)努塞爾數(shù)的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)中所得的測溫點(diǎn)溫度以及質(zhì)量流量結(jié)果，計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)時(shí)流體的對(duì)流換熱準(zhǔn)則數(shù)，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制成?圖(見圖4)，這在一定程度上反映流體傳熱效率的變化情況。圖4中流體熱流密度為29.6 kW/m2。

由圖4可得：在本實(shí)驗(yàn)條件下，納米流體與去離子水的均隨的增大而增大，并在較大時(shí)，有增長加快的趨勢，這也從側(cè)面反映出流體質(zhì)量流量增大使傳熱效果得到改善。對(duì)比相同時(shí)納米流體與去離子水的可發(fā)現(xiàn)，納米流體比去離子水的大，并且納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，越大，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9%，0.6%和0.3%的3種納米流體相比于去離子水約分別高16%，13%和8%。這與Wu等[16]的研究結(jié)果相似。這是由于流體中納米顆粒含量增加所導(dǎo)致的對(duì)流傳熱效應(yīng)大于熱傳導(dǎo)效應(yīng)，從而使流體的傳熱效果得到增強(qiáng)。

1—0.9%納米流體；2—0.6%納米流體；3—0.3%納米流體；4—去離子水

2.3通道壁面粗糙度對(duì)傳熱的影響

采用化學(xué)拋光的方法來改變通道內(nèi)傳熱壁面的粗糙度，計(jì)算相應(yīng)的灰度均方差u，u越大，對(duì)應(yīng)的表面紋理變化就越劇烈，表面粗糙度越大[17]。經(jīng)計(jì)算，原始傳熱壁面及2次拋光后傳熱壁面的平均u分別為51.2，38.7和25.3。經(jīng)過拋光處理后的傳熱壁面粗糙度逐漸減小，也即越來越光滑。

圖5所示為質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%納米流體在不同傳熱壁面粗糙度條件下，通道內(nèi)飽和流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)隨質(zhì)量流速的變化關(guān)系。在相同熱流密度及質(zhì)量流速時(shí)，2種工質(zhì)的傳熱系數(shù)均隨傳熱壁面粗糙度的增加而增大。當(dāng)工質(zhì)為去離子水且=23.50 kW/m2時(shí)，u=25.3表征的壁面(即2次拋光處理后)，相對(duì)于原始壁面(u=51.2)，傳熱系數(shù)平均下降約12.53%；當(dāng)工質(zhì)為納米流體時(shí)，在相同條件下，傳熱系數(shù)平均下降為8.07%，顯然下降幅度比去離子水的下降幅度小。當(dāng)熱流密度為其他值時(shí)可得到同樣的結(jié)論。由此可見，傳熱壁面粗糙度對(duì)去離子水的影響相對(duì)較大。

粗糙度對(duì)流動(dòng)沸騰傳熱產(chǎn)生影響主要有2個(gè)方面的原因。一方面，從氣泡動(dòng)力學(xué)角度來看，傳熱壁面粗糙度越大時(shí)，壁面在沸騰過程中能夠產(chǎn)生更多的活躍核化點(diǎn)，而氣泡正是從這些活躍核化點(diǎn)生成，同時(shí)傳熱壁面越粗糙，形成氣泡的空腔變大，氣泡的脫離直徑更小，脫離頻率更快，而在本次實(shí)驗(yàn)條件下，泡核沸騰傳熱起主導(dǎo)作用，因而帶來了傳熱系數(shù)的增大；另一方面，靠近壁面處，流體由于黏力的作用會(huì)形成一定厚度的邊界層，而粗糙度增大會(huì)對(duì)該邊界層產(chǎn)生擾動(dòng)作用，該作用甚至能夠使流體在較低流速下進(jìn)入湍流狀態(tài)。

(a) 去離子水為工質(zhì)；(b) 納米流體為工質(zhì)

u：1—51.2；2—38.7；3—25.3

圖5 不同壁面粗糙度條件下的傳熱系數(shù)

Fig. 5 Heat transfer coefficients from different wall roughness

2.4流體氣泡流型可視化研究

利用高速攝影儀對(duì)微槽道內(nèi)兩相流沸騰傳熱過程中的氣泡生長過程以及流型變化情況進(jìn)行拍攝記錄，并在工控機(jī)上進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)分析。

圖6所示為去離子水在不同熱流密度、質(zhì)量流速為295.74 kg/(m2?s)時(shí)，距入口約160 mm處通道內(nèi)氣泡的生長情況。對(duì)比氣泡生長過程，可以發(fā)現(xiàn)從槽道壁面脫離的氣泡在隨著流體向上運(yùn)動(dòng)的過程中都是逐漸變大的，但生長速度不同，生長周期不同。測量氣泡在生長過程中不同時(shí)刻的直徑，得到不同熱流密度下的氣泡直徑變化規(guī)律如圖7所示。

熱流密度q/(kW?m?2-): (a) 16.73; (b) 21.82; (c) 25.67

熱流密度q/(kW?m?2-): 1—16.73; 2—21.82; 3—25.67

從圖6可見：當(dāng)為16.73 kW/m2時(shí)，氣泡從剛剛脫離壁面到長大并最終發(fā)生形變所用時(shí)間約為65.1 ms，且成長過程比較均勻；當(dāng)為21.82 kW/m2時(shí)，氣泡的生長周期為57.5 ms，以至于擠壓到壁面發(fā)生形變，并有與其他氣泡合并的趨勢；當(dāng)增大到25.67 kW/m2時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)整個(gè)槽道內(nèi)氣泡數(shù)目明顯增多，并已經(jīng)開始和后邊的氣泡接觸及合并，這時(shí)氣泡生長周期縮短至48.4 ms。在這里引入氣泡生長速率，即圖7所示曲線的斜率，可以看出為25.67 kW/m2時(shí)，曲線平均斜率最大，即生長速度最快；為 21.82 kW/m2時(shí)的氣泡生長速度次之，為16.73 kW/m2時(shí)速度最慢。由此得到，隨著熱流密度的不斷增大，氣泡的生長速度逐漸加快，生長周期縮短。

目前，由于大多數(shù)T2DM患者由于對(duì)自身疾病認(rèn)識(shí)不足、皮下注射腹部定位卡缺乏了解及不注意自我監(jiān)測和注意飲食等原因，且住院期間由于認(rèn)知、情緒、環(huán)境等因素的變化，從而導(dǎo)致血糖控制不佳，并發(fā)癥發(fā)生率的增加，嚴(yán)重影響患者預(yù)后，因此，尋求更合適有效的干預(yù)方式成為近年來的研究重點(diǎn)[4]。

研究發(fā)現(xiàn)，即便在幾個(gè)不同的熱流密度條件下，流體流型均以泡狀流—彈狀流—環(huán)狀流—液態(tài)單相流方式進(jìn)行，只是發(fā)生變化的周期所占比例不同。在單相流中，氣泡又開始產(chǎn)生并向出口處移動(dòng)，重新回到泡狀流狀態(tài)。但泡狀流時(shí)，不同熱流密度條件下氣泡生成速度及脫離狀態(tài)有所不同。在高熱流密度條件下氣泡脫離、上升速率較快，所以，產(chǎn)生的氣泡大都為小氣泡，不易形成彈狀流，泡狀流在整個(gè)周期中比例較大，由此加劇了泡核沸騰傳熱的效果。

3　結(jié)論

1) 在本實(shí)驗(yàn)條件下，納米流體與去離子水的飽和沸騰傳熱系數(shù)均隨熱流密度的增加而增大，這是由汽化核心產(chǎn)生氣泡的速度以及氣泡的脫離直徑增大引起；在相同條件下，納米流體的換熱系數(shù)比去離子水高14%左右，證明了納米流體的強(qiáng)化換熱效果。

2) 在流動(dòng)沸騰過程中，納米流體與去離子水的均隨的增大而增大。在定質(zhì)量流速條件下，納米流體的比去離子水大，0.9%，0.6%和0.3%這3種質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體與去離子水相比，其約分別提高16%，13%和8%。

3) 在相同熱流密度及質(zhì)量流速條件下，納米流體的傳熱系數(shù)隨傳熱壁面粗糙度的增加而增大，傳熱壁面粗糙度對(duì)去離子水換熱的影響比對(duì)納米流體更 明顯。

4) 在微通道內(nèi)流動(dòng)沸騰過程中，流體流型以泡狀流—彈狀流—環(huán)狀流—液態(tài)單相流方式周期性變化；隨著熱流密度的增大，氣泡的生長速度加快，生長周期縮短，泡狀流比例增加，從而強(qiáng)化了傳熱效果。

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(編輯 羅金花)

Saturated boiling and visualization of nanofluids in aluminum-based microchannels

LUO Xiaoping, TU Huaying, DENG Jun

(School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

The boiling heat transfer characteristics were experimentally investigated through aluminum-based rectangular microchannels with the size of 0.3 mm×2.0 mm, using Al2O3-H2O nanofluids with particle of 0, 0.3%, 0.6%, 0.9% (mass fraction) as the working fluids, and the visualization was studied by using high speed camera device. The influence of heat flux,and wall roughness on the fluid heat transfer coefficients was discussed, and the variations of stream pattern and the bubbles’growth were investigated. The results show that the saturated boiling heat transfer coefficients of nanofluids and deionized water both increase significantly with the increase of mass flow rate. The values ofincrease with the increase of. But the amount of increase is different. Theof nanofluids with particle of 0.3%, 0.6% and 0.9% are 8%, 13% and 16% higher than those of deionized water. With the same heat flux density and mass velocity, the heat transfer coefficient of two working fluids both increase with the increase of roughness of the channels. The stream pattern changes periodically, and the growth cycle of the bubbles will be shorter when heat flux density increases.

microchannel; nanofluid; heat transfer coefficient; roughness; visualization

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.09.048

TK124

A

1672?7207(2015)09?3520?07

2014?10?29；

2014?12?30

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21276090) (Project(21276090) supported by the National Natural Science Foundation of China)

羅小平，教授，博士生導(dǎo)師，從事微尺度相變強(qiáng)化傳熱機(jī)理、微尺度熱物理系統(tǒng)的拓?fù)鋵W(xué)、分子動(dòng)力學(xué)模擬等研究；E-mail: mmxpluo@scut.edu.cn