粗糙度對(duì)微細(xì)通道納米流體臨界熱流密度（CHF）和不穩(wěn)定性的影響

羅小平，李海燕

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

粗糙度對(duì)微細(xì)通道納米流體臨界熱流密度（CHF）和不穩(wěn)定性的影響

羅小平，李海燕

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

分別以去離子水和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的Al2O3-H2O納米流體為實(shí)驗(yàn)工質(zhì)，在水力直徑為1.24mm的矩形微細(xì)通道內(nèi)進(jìn)行飽和流動(dòng)沸騰傳熱實(shí)驗(yàn)研究。首先運(yùn)用酸性拋光技術(shù)對(duì)矩形微細(xì)通道的壁面粗糙度進(jìn)行處理，再采用SFS法獲得壁面粗糙度的顯微圖像，然后借助MATLAB對(duì)圖像進(jìn)行灰度化處理，從而獲得粗糙度分別為25.3、38.7、51.2的3種實(shí)驗(yàn)矩形微細(xì)通道。對(duì)比研究了去離子水和0.3%Al2O3-H2O（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）納米流體在飽和流動(dòng)沸騰傳熱過(guò)程中不同壁面粗糙度對(duì)臨界熱流密度（CHF）和納米流體流動(dòng)不穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明：相同工況下，0.3%Al2O3-H2O納米流體的CHF比去離子水可提高18.37%～226.28%；隨著壁面粗糙度的增大，兩種工質(zhì)的CHF均略有增大，但相比去離子水，0.3%Al2O3-H2O納米流體CHF隨壁面粗糙度增大而增大的趨勢(shì)更為明顯；通過(guò)對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合評(píng)估分析，發(fā)現(xiàn)微細(xì)通道壁面粗糙度的增大會(huì)使微細(xì)通道內(nèi)流體流動(dòng)的不穩(wěn)定性增大。

微細(xì)通道；納米流體；表面粗糙度；臨界熱流密度；不穩(wěn)定性

隨著高新科技的快速發(fā)展，在航天航空、微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）、生物工程等領(lǐng)域，應(yīng)用傳統(tǒng)空氣或水冷卻系統(tǒng)在微小空間已難以滿足高熱通量的散熱問(wèn)題，微尺度制冷換熱技術(shù)自TUCKERMAN等提出后，一直被中外學(xué)者廣泛研究與應(yīng)用[1-2]，因此研究高效節(jié)能穩(wěn)定的微細(xì)通道換熱器具有重要研究意義和應(yīng)用前景[3]。WANG等[4]應(yīng)用數(shù)值模擬的方法研究表明矩形微細(xì)通道相比梯形和三角形微細(xì)通道，其熱阻和壓降最低，最有利于流動(dòng)沸騰傳熱。因此本次實(shí)驗(yàn)研究選擇矩形微細(xì)通道。由于臨界熱流密度（CHF）是流體流動(dòng)沸騰傳熱至關(guān)重要的限制條件之一，此外微細(xì)通道流動(dòng)沸騰傳熱的不穩(wěn)定性嚴(yán)重影響相變傳熱系統(tǒng)的使用壽命，而粗糙度是影響沸騰傳熱不可忽略的主要因素之一。因此，本文旨在研究矩形微細(xì)通道壁面粗糙度對(duì)兩相流動(dòng)沸騰傳熱的CHF和流體流動(dòng)不穩(wěn)定性的影響。

本文作者課題組前期研究了換熱工質(zhì)類(lèi)型、入口過(guò)冷度、出口臨界熱力學(xué)干度、質(zhì)量流速、外加磁場(chǎng)強(qiáng)度及微通道尺寸等因素對(duì)CHF的影響[5-7]，以及熱流密度、質(zhì)量通量和入口過(guò)冷度對(duì)微細(xì)通道流動(dòng)沸騰壓降波動(dòng)特性的影響，從而評(píng)估了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性[8]。KHARANGATE等[9]研究了矩形通道中制冷劑FC-72單面受熱和雙面受熱時(shí)流動(dòng)沸騰的CHF，并進(jìn)行了可視化觀察和相應(yīng)模型的建立。KIM等[10]研究了CHF的過(guò)早發(fā)生兩相流動(dòng)沸騰傳熱系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，得出系統(tǒng)不穩(wěn)定性通常與劇烈壓力振蕩相關(guān)的結(jié)論，并用微通道散熱器兩相流CHF的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比評(píng)估了基于分離流模型（SFM）和基于均勻平衡模型（HEM）的兩種兩相臨界流模型。BALASUBRAMANIAN等[11-12]研究了直微通道和拓展直微通道系統(tǒng)流動(dòng)沸騰傳熱過(guò)程中的不穩(wěn)定性問(wèn)題。此外已有學(xué)者研究了壁面粗糙度對(duì)池沸騰傳熱CHF的影響特性。如QUAN等[13]推出了粗糙度對(duì)池沸騰CHF影響的預(yù)測(cè)模型。KIM等[14]以飽和水為工質(zhì)，以砂紙打磨的具有不同平均表面粗糙度（Ra在0.041～2.36μm）的銅表面上進(jìn)行飽和沸騰實(shí)驗(yàn)，研究表明CHF隨表面粗糙度的增大而增大，在最粗糙的表面（Ra=2.36μm）的CHF為1625kW/m2，大約是在最光滑的表面（Ra=0.041μm）兩倍。

由此可見(jiàn)，加熱表面粗糙度對(duì)沸騰傳熱過(guò)程中不穩(wěn)定性及CHF值有顯著影響?？紤]到微細(xì)通道內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱過(guò)程的復(fù)雜性，關(guān)于CHF的優(yōu)化和系統(tǒng)不穩(wěn)定性的評(píng)估研究很大程度上是一個(gè)試錯(cuò)過(guò)程。因此本文在前人的研究基礎(chǔ)上，通過(guò)化學(xué)拋光方法改變微細(xì)通道壁面粗糙度，得到灰度粗糙度分別為25.3、38.7、51.2的3種矩形微細(xì)通道。以去離子水和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的Al2O3-H2O的納米流體為工質(zhì)，在不同粗糙度微細(xì)通道內(nèi)進(jìn)行流動(dòng)沸騰傳熱實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究了去離子水和0.3%Al2O3-H2O納米流體在沸騰傳熱過(guò)程中壁面粗糙度對(duì)臨界熱流密度CHF的影響，以及粗糙度對(duì)納米流體流動(dòng)不穩(wěn)定性的影響。為完善強(qiáng)化CHF的方法和系統(tǒng)不穩(wěn)定性的因素分析奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

微細(xì)通道流動(dòng)沸騰實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖如圖1所示，系統(tǒng)主要由恒溫水箱、水泵、過(guò)濾裝置、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、實(shí)驗(yàn)段、ADAM-6017數(shù)據(jù)采集模塊、HC3160-HVG4型壓力變送器、溫度變送器和Pt100熱電阻、計(jì)算機(jī)、除泡器等組成。整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是一個(gè)閉合循環(huán)回路系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)工質(zhì)經(jīng)PID恒溫控制儀監(jiān)控的恒溫水箱預(yù)熱后流入管道，部分工質(zhì)經(jīng)主回路過(guò)濾裝置進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段被加熱，其流量的大小由水泵和閥門(mén)配合調(diào)控，同時(shí)數(shù)據(jù)采集儀器將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至工控機(jī)，從實(shí)驗(yàn)段流出的工質(zhì)經(jīng)除泡器回到恒溫水箱，從而實(shí)現(xiàn)主回路的循環(huán)過(guò)程；另一部分工質(zhì)經(jīng)旁回路閥門(mén)調(diào)節(jié)回流至恒溫水箱，從而實(shí)現(xiàn)旁回路的緩沖作用。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

1.2 實(shí)驗(yàn)段

鋁基矩形微細(xì)通道實(shí)驗(yàn)段如圖2所示。實(shí)驗(yàn)段總長(zhǎng)250mm、總寬80mm、總高55mm，采用微細(xì)電火花切割（MWEDM）加工15條水力直徑為1.24mm的3組矩形微細(xì)通道，精度等級(jí)IT6。微細(xì)道道單個(gè)通道截面如圖3所示，具體參數(shù)尺寸見(jiàn)表1。石英玻璃鑲嵌在蓋板里，高速攝影儀可通過(guò)石英玻璃對(duì)微細(xì)通道內(nèi)實(shí)驗(yàn)工質(zhì)流動(dòng)沸騰傳熱過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝?；略O(shè)有電加熱板并在之間均勻涂抹導(dǎo)熱硅脂，加熱板的加熱功率由調(diào)壓器調(diào)控。為減少熱量損失，整個(gè)實(shí)驗(yàn)段用保溫棉包裹，并用鐵絲包扎固定。

1.3 微細(xì)通道壁面粗糙度的表征

圖2 微細(xì)通道實(shí)驗(yàn)段結(jié)構(gòu)圖

圖3 單個(gè)通道橫截面示意圖

本實(shí)驗(yàn)微細(xì)通道壁面的粗糙度處理采用對(duì)壁面損耗較小的OY-45A型酸性拋光劑[15-16]，具體步驟為將清洗后的微細(xì)通道去除油污，放置在拋光劑中30s（或60s）后再次清水沖洗并晾干，從而獲得3種粗糙度不同的微細(xì)通道。粗糙度的表征方法有多種[17-18]，主要可通過(guò)接觸式和非接觸式來(lái)檢測(cè)，本文采用對(duì)微細(xì)通道無(wú)損害的非接觸法-SFS來(lái)檢測(cè)。如圖4所示為圖像采集過(guò)程。因采集的圖像含有噪聲，必須經(jīng)過(guò)中值濾波、灰質(zhì)化等預(yù)處理過(guò)程，將獲得的顯微圖像用MATLAB進(jìn)行圖像處理[19]，對(duì)其進(jìn)行濾波和角度矯正處理，得到RGB圖像，最后計(jì)算該采樣圖像的平均灰度粗糙度，該值默認(rèn)為微細(xì)通道壁面的平均灰度粗糙度，從而以幅度參數(shù)均方根偏差δN來(lái)表征微細(xì)通道的壁面粗糙程度。如圖5所示為不同粗糙度的壁面所對(duì)應(yīng)的三維灰度圖像，利用顯微成像技術(shù)獲得不同粗糙度下的微細(xì)通道壁面原始圖像中的圖。并計(jì)算得到未拋光處理的原始微細(xì)通道δN=51.2，第1次拋光處理后的微細(xì)通道δN=38.7，第2次處理后的微細(xì)通道δN=25.3。

1.4 實(shí)驗(yàn)工質(zhì)的配置及物性參數(shù)

0.3%的Al2O3-H2O納米流體的配置采用二步法[20-21]，加入分散劑（PEG）機(jī)械攪拌后并用超聲波振蕩儀振動(dòng)3h，以獲得均勻穩(wěn)定的Al2O3-H2O納米流體，如圖6、圖7分別為本次實(shí)驗(yàn)工質(zhì)靜置24h后的實(shí)物圖及0.3%的Al2O3-H2O納米流體的TEM照片，由圖可知所配納米流體相對(duì)均勻穩(wěn)定，且分散性比較好，可用于實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)工質(zhì)的物性參數(shù)如表2所示。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

圖4 圖像采集過(guò)程流程圖

表1 單個(gè)通道截面參數(shù)尺寸 單位：mm

圖5 微細(xì)通道壁面三維灰度圖

表2 實(shí)驗(yàn)工質(zhì)的熱物性參數(shù)

為研究壁面粗糙度對(duì)微細(xì)通道內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱CHF的影響，分別以去離子水和0.3%的Al2O3-H2O納米流體在3種不同粗糙度的微細(xì)通道內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，考慮到CHF一般發(fā)生在質(zhì)量流速較小的時(shí)刻，故設(shè)定質(zhì)量流速G的系列值為：43.39kg/(m2?s)、98.78kg/(m2?s)、148.18kg/(m2?s)、197.57kg/(m2?s)、247.00kg/(m2?s)、296.35kg/(m2?s)。采集進(jìn)出口壓力Pin、Pout，進(jìn)出口溫度Tin、Tout，上壁面溫度Tu1、Tu2、Tu3、Tu4，下壁面溫度Td1、Td2、Td3、Td4，結(jié)合基本參數(shù)按式(1)、式(2)計(jì)算微細(xì)通道基座底部上的有效熱流密度qeff和單個(gè)微細(xì)通道兩邊側(cè)壁和通道底部的平均熱流密度qe。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中調(diào)節(jié)電壓，改變熱流密度直至進(jìn)出口溫差突然變化，壓降波動(dòng)變大，即意味著CHF的發(fā)生，此刻qeff表示臨界熱流密度值qeff,c。查得鋁的熱導(dǎo)率λAl為228W/(m·℃)。

圖6 靜置24h后的實(shí)驗(yàn)工質(zhì)

圖7 0.3%Al2O3-H2O納米流體的TEM照片

為表征壁面粗糙度對(duì)沸騰傳熱過(guò)程0.3%Al2O3-H2O納米流體流動(dòng)不穩(wěn)定性的影響。處理實(shí)驗(yàn)中所測(cè)的進(jìn)出口壓力差值信號(hào)，先將壓降波動(dòng)認(rèn)為是隨時(shí)間變化的一組離散序列，接著運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)中的數(shù)學(xué)期望與標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)壓降波動(dòng)信號(hào)進(jìn)行定量分析，用期望值表征流體流動(dòng)的平均程度，用標(biāo)準(zhǔn)差表征其偏離均值的不穩(wěn)定性程度，以此表征系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。計(jì)算公式見(jiàn)式(3)、式(4)，式中N為樣本容量，ΔPi為第i個(gè)樣本值。

2.1 CHF的判定及流動(dòng)沸騰傳熱過(guò)程的可視化

流動(dòng)沸騰傳熱的CHF是否發(fā)生可通過(guò)實(shí)驗(yàn)采集的溫度和壓力來(lái)判定，壁面溫度突增，意味著流動(dòng)沸騰傳熱方式已從核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)化為膜態(tài)沸騰，即CHF發(fā)生；逐步增大熱流密度的某一刻壓降的幅值并沒(méi)有較大的變化，但其波動(dòng)的劇烈程度有所下降，溫度基本上在一定值，意味著微細(xì)通道內(nèi)氣泡形成氣膜，開(kāi)始阻擋傳熱即CHF發(fā)生；壁面過(guò)熱度明顯變大，意味著在不斷加熱的過(guò)程中產(chǎn)生大量氣泡，長(zhǎng)大并聚合在一起，產(chǎn)生氣膜，脫離泡核沸騰，轉(zhuǎn)入膜態(tài)沸騰即CHF發(fā)生。壁面過(guò)熱度可由式(5)、式(6)計(jì)算而得，式中TW為微細(xì)通道底部的溫度，ΔTsat為壁面過(guò)熱度。

微細(xì)通道流動(dòng)沸騰實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)高速攝影儀（型號(hào)GV-A001-DM，拍攝頻率5130幀/秒）記錄微細(xì)通道不同工況下的流型。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)0.3%Al2O3-H2O納米流體和去離子水的流型均是呈周期性變化的，主要以液束環(huán)狀流、泡狀狀流、彈狀流、厚液膜環(huán)狀流、液膜蒸干局部干涸、液束環(huán)狀流再潤(rùn)濕等流型周期循環(huán)，循環(huán)時(shí)間并不一致。如圖8所示為0.3%Al2O3-H2O納米流體在原始微細(xì)通道δN=51.2中進(jìn)行流動(dòng)沸騰實(shí)驗(yàn)過(guò)程中各階段流型圖，此外在流型周期循環(huán)的過(guò)程中，壁面溫度隨時(shí)間變化圖如圖9所示，由圖可知，t=11s時(shí)壁溫明顯增大即意味著局部干涸處已經(jīng)大面積干涸并發(fā)生CHF，此時(shí)為了保證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的安全，立即停止實(shí)驗(yàn)運(yùn)行。

2.2 實(shí)驗(yàn)誤差分析

為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差分析。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中各實(shí)驗(yàn)儀器的精度如表3所示。因此對(duì)于式(1)中熱流密度qeff，根據(jù)誤差傳遞理論估算其最大實(shí)驗(yàn)儀器誤差見(jiàn)式(7)的結(jié)果，經(jīng)實(shí)驗(yàn)評(píng)估實(shí)驗(yàn)段保溫層保溫棉的熱損失大概占整體熱量的5%左右。故熱流密度qeff的實(shí)驗(yàn)誤差為式(8) 所得的結(jié)果。

圖8 流動(dòng)沸騰傳熱過(guò)程中流型循環(huán)圖

圖9 納米流體壁面溫度隨時(shí)間變化圖

表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精度表

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 流體介質(zhì)對(duì)CHF的影響

為了對(duì)比研究質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的Al2O3-H2O納米流體與去離子水對(duì)流動(dòng)沸騰傳熱CHF的影響，在水力直徑為1.24mm的原始微細(xì)通道內(nèi)，相同工況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，如圖10所示為其相應(yīng)的臨界熱流密度值qeff,c。分析發(fā)現(xiàn)相同工況下，0.3%Al2O3-H2O納米流體的CHF比去離子水的可提高18.37%～226.28%。其主要原因?yàn)榧{米顆粒的加入可增大導(dǎo)熱性和擾動(dòng)性，可傳遞熱量，使氣泡不易在壁面形成氣膜，因此達(dá)到臨界狀態(tài)需要更高的熱流密度；此外流動(dòng)過(guò)程中會(huì)有少量納米顆粒沉積在微細(xì)通道壁面，納米顆粒的沉積會(huì)使微細(xì)通道壁面接觸角減小，改善了加熱壁面的親水性，親水性好的加熱壁面產(chǎn)生氣泡直徑小、脫離頻率快，使氣泡脫離時(shí)能及時(shí)得到液體的補(bǔ)充，因此能有效提高CHF值，這一結(jié)論與AHN等[23]的研究結(jié)果一致。

圖10 流體介質(zhì)對(duì)臨界熱流密度影響圖

3.2 壁面粗糙度對(duì)CHF的影響

為了研究粗糙度對(duì)兩種工質(zhì)CHF的影響，在水力直徑為1.24mm 3種不同粗糙度的微細(xì)通道內(nèi)以去離子水和0.3%的納米流體為工質(zhì)進(jìn)行流動(dòng)沸騰傳熱實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。發(fā)現(xiàn)隨著粗糙度的變小，去離子水的CHF值有所降低但并不明顯，而0.3%納米流體的CHF則會(huì)隨著粗糙度變小而較明顯的降低。分析原因是當(dāng)壁面粗糙度減小時(shí)，納米顆粒對(duì)壁面的撞擊減弱，造成的紊流作用減小，導(dǎo)致?lián)Q熱性能變差，臨界熱流密度值也變小；另外考慮少量納米顆粒的沉降使壁面親水性增強(qiáng)，考慮固體表面的粗糙度對(duì)潤(rùn)濕性的影響，引用Wenzel方程式(10)可說(shuō)明納米顆粒的少量沉積使親水性增強(qiáng)進(jìn)一步使微細(xì)通道壁面粗糙度Rf增大，從而使0.3%納米流體的CHF相比去離子水因粗糙度的減小而更明顯的減小。方程中粗糙度Rf定義為固體真實(shí)表面積和投影面積之比，顯然Rf≥1，且Rf越大，表面越粗糙[24]。

圖11 壁面粗糙度對(duì)臨界熱流密度影響圖

3.3 壁面粗糙對(duì)系統(tǒng)不穩(wěn)定性的影響。

為了研究壁面粗糙度對(duì)矩形微細(xì)通道0.3%Al2O3-H2O納米流體流動(dòng)沸騰傳熱系統(tǒng)不穩(wěn)定性的影響，本實(shí)驗(yàn)在質(zhì)量流速為197.57kg/(m2?s)、熱流密度為28.4kW/m2工況下，在水力直徑為1.24mm的3種不同粗糙度的微細(xì)通道內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分析壓降結(jié)果如圖12所示。對(duì)比分析圖12可知，粗糙度為δN=38.7的標(biāo)準(zhǔn)差比δN=25.3的高8%，而粗糙度δN=51.2的標(biāo)準(zhǔn)差比δN=25.3的高52%，壁面粗糙度增大，系統(tǒng)的不穩(wěn)定性越大。其主要原因?yàn)樵谙嗤r下，傳熱壁面越粗糙，壁面核化點(diǎn)就越多，越有利于氣泡的產(chǎn)生，單位時(shí)間內(nèi)大量氣泡的長(zhǎng)大與破滅增加了流體的擾動(dòng)性；此外表面粗糙度的加大會(huì)對(duì)流體的流型產(chǎn)生一定的影響，從而促使流體流動(dòng)的不穩(wěn)定性隨著壁面粗糙度的增大而增大。

4 結(jié)論

對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的Al2O3-H2O納米流體和去離子水為工質(zhì)，在水力直徑為1.24mm，灰度粗糙度分別為25.3、38.7、51.2的3種矩形微通道進(jìn)行飽和流動(dòng)沸騰傳熱實(shí)驗(yàn)，分析了有無(wú)納米顆粒對(duì)臨界熱流密度的影響，對(duì)比研究了兩種工質(zhì)在沸騰傳熱過(guò)程中壁面粗糙度對(duì)臨界熱流密度CHF的影響，并定量評(píng)估了粗糙度對(duì)流體流動(dòng)不穩(wěn)定性的影響。得出以下結(jié)論。

圖12 3種壁面粗糙度下流體流動(dòng)不穩(wěn)定性對(duì)比圖

（1）與去離子水相比，0.3%Al2O3-H2O納米流體的CHF可提高18.37%～226.28%。其主要原因是納米顆粒的加入增大了導(dǎo)熱性和擾動(dòng)性，使氣膜不易形成；同時(shí)少量納米顆粒的沉積使壁面親水性增強(qiáng)，氣泡脫離直徑減小，脫離頻率增大，從而使CHF延遲。

（2）在相同工況下，臨界熱流密度隨壁面粗糙度的增大的而略有增大，但總體而言增大趨勢(shì)并不明顯。0.3%Al2O3-H2O納米流體CHF的趨勢(shì)相比去離子水略為明顯，其原因有壁面粗糙度越大，對(duì)納米顆粒的撞擊作用越明顯，此外少量納米顆粒的沉積可進(jìn)一步加大局部粗糙度，從而使0.3%納米流體的CHF比相去離子水因粗糙度的增大而增大略微明顯。

（3）0.3%Al2O3-H2O納米流體的流體流動(dòng)的不穩(wěn)定性隨著壁面粗糙度的增大而增大。且相比粗糙度值δN=25.3的壓降標(biāo)準(zhǔn)差，粗糙度為δN=38.7的比其高8%，粗糙度δN=51.2的標(biāo)準(zhǔn)差比其高52%，故而粗糙度對(duì)微細(xì)通道流動(dòng)沸騰傳熱不穩(wěn)定性的影響不可忽視。

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Effect of surface roughness on nanofluid critical heat fluxes (CHF) in rectangular microchannels and instability

LUO Xiaoping，LI Haiyan
（School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China）

Saturated flow boiling heat transfer in rectangular microchannels with a hydraulic diameter of 1.24mm was experimentally investigated. Deionized water and 0.3% Al2O3-H2O nanofluid were selected respectively as the working fluids. Rectangular microchannels’ surface roughness was disposed firstly by acidic polishing process，further sonic frequency system（SFS） method was adopted to obtain the microscopic images of surface roughness，and then these images were gray-scale processing by means of MATLAB. Accordingly，three experimental rectangular microchannels whose surface roughness was 25.3、38.7 and 51.2 respectively were acquired. Contrastive study on the effect of different surface roughness on nanofluid critical heat fluxes（CHF）and instability in the process of saturated flow boiling heat transfer of deionized water and 0.3%Al2O3-H2O nanofluid was carried out.Results indicated that under the same experimental conditions，the CHF of 0.3% Al2O3-H2O nanofluid can be increased by 18.37%—226.28% than deionized water. With the increase of surface roughness，the CHF of both of them increases slightly，but the rising tendency of 0.3%Al2O3-H2O nanofluid shows more obvious.Through the comprehensive evaluation and analysis of massive experimental data，it was found that the increase of microchannels’ surface roughness can make the instability of fluid in the microchannels increase.

microchannel；nanofluid；surface roughness；critical heat fluxes（CHF）；instability

TK124

A

1000–6613（2017）11–3947–08

10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0523

2017-03-28；修改稿日期2017-05-05。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21776096）。

及聯(lián)系人：羅小平（1967—），男，教授，主要從事微尺度相變傳熱研究。E-mail mmxpluo@scut.edu.cn。