近几年来,微尺度下的流动与传热问题受到了国内外越来越多的重视,尤其是微通道内流动冷凝过程更是引起了广泛的关注。微通道内的流动冷凝在机理上不同于重力场控制下的大通道冷凝过程。在微通道中,气液界面的表面张力成为了主要作用力,其流动形态类似于微重力下情况,环状流动不再分层；而且,除了环状流之外,还存在着非稳态的喷射流和因此而产生的弹状流和泡状流等流型。冷凝流型是冷凝过程的最本质特性之一,目前,微通道中的流动冷凝流型的研究已经有了一些数据和报道,但是,由于其过程的复杂性及实验测量的难度,有关微通道中冷凝流型演变机理的研究还很不完善,流型实验数据也不够充分。本文以揭示微通道冷凝流型演变机理为目的,对三角形和矩形微通道中的流动冷凝过程进行了理论分析和实验研究。 为了更好地认识微通道截面形状对流动换热特性的影响,本文首先对三角形、矩形和梯形等非圆形微通道中单相对流换热过程开展了三维数值模拟研究。结果发现,截面平均努塞尔数在通道入口处出现最大值,然后沿流体流动方向急剧减小,直至流动充分发展时趋于恒定；流体和固体温度皆沿流动方向逐渐升高,最高温度出现在通道出口的正下方；通道壁温仅沿流动方向线性升高,在垂直于流动方向,则温度基本保持均衡：雷诺数对微通道的流动换热特性存在着较大的影响,雷诺数越大,其对应的努塞尔数就越大,换热效率也越高。通过热有效性比较,发现三角形微通道的热有效性最高。 其次,研究了微通道中的环状冷凝过程。建立了三角形和矩形微通道中环状冷凝过程的一维稳态模型,分析了液相毛细半径和压力的分布趋势,以及蒸汽入口压力、热负荷、通道大小和接触角对冷凝段长度的影响,并讨论了微通道截面形状对环状冷凝的影响。计算结果表明,冷凝段长度主要取决于毛细半径变化平缓区域的长短；冷凝段液相压力随着毛细半径的增大而增大,在通道入口处,液体压力从零突升,之后沿通道缓慢增加,直至最大值；蒸汽入口压力增大、热流密度愈小、通道水力直径愈大和液体与壁面的接触角减小都会使冷凝段长度增长；在一定范围内,微通道内角的个数对通道冷凝段长度的影响将比长、短边长比对冷凝段长度的影响更为显著：通道截面对冷凝过程气、液两相的压力和流速分布规律几乎没有影响。 设计和搭建了一套微通道冷凝流型演变实验台,对水力直径分别为250μm、100μm的三角形和90.6μm的矩形硅微通道中的流动冷凝过程开展了可视化实验研究。实验中观察并拍摄了硅微通道内的流动冷凝流型演变过程,并对喷射频率、喷射位置等流型特性参数和温度、压降、换热系数等参数进行了分析讨论。结果表明,在一定的换热工况下,硅微通道冷凝过程中会依次出现珠状流、环状流、喷射流和泡状流。喷射频率会随着蒸汽入口雷诺数的增大而增大,通道形状影响喷射频率,且当微通道截面形状相同时,喷射频率随着通道直径的减小而显著增大。喷射位置随着蒸汽流量的增大而延后,下游的喷射流频率要大于上游的喷射频率。