毛细微槽内蒸发薄液膜流动与传热机理研究

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近年来,热管换热设备在电子产品冷却和暖通空调领域得到了日益广泛的应用。在这些设备相变换热过程中,汽-液-固三相接触线附近蒸发薄液膜部分的热阻非常小,局部存在着非常高的热流密度,三相线附近的换热在整个设备的换热量中占有很大的比重。因此研究三相线附近的流动与传热机理,对于深入理解微观尺度上界面上发生的物理现象的本质,从而更好的改进设备,提高效能有着非常重要的理论意义。  液体润湿加热的固体壁面时,在三相线附近形成延展弯液面,延展弯液面分为吸附薄液膜、蒸发薄液膜和液体本征区域三个部分。在薄液膜区域,远程分子力,即脱离压力,是液体流动与补充的主导作用力。由于脱离压力和毛细压力的共同作用,在汽-液界面上存在着压力阶跃,抑制了流体的蒸发。扩展的Young-Laplace方程,描述了液膜内部压力的变化,将由脱离压力为主导的微观区域和由毛细压力为主导的本征弯液面区域联系起来。吸附薄液膜区域为非蒸发区域,脱离压力完全抑制了液体的蒸发,随着薄液膜厚度的增加,脱落压力和毛细压力对蒸发的抑制作用降低,热流密度在很短的距离内从零上升到一个峰值,之后,随着向本征弯液面的靠近,液体本身的热阻逐渐增大,热流密度逐渐降低。毛细微槽、微管、微通道中的传热大约有一半左右是发生在蒸发薄液膜区域的。同时,蒸发薄液膜理论也被应用到沸腾现象中,解释气泡底层形成的薄液膜的换热。  本文在前人研究的基础上,编写程序来计算薄液膜区域的流动与传热特性,分析了系统中各参数对流动与传热的影响。脱离压力模型的选取是蒸发薄液膜研究中的一个关键问题,本文指出了文献中所选取的非极性流体脱离压力模型的不足,并尝试按照包含结构力的脱离压力模型来求解方程。在前人的研究中,都是假设蒸发过程中,本征弯液面不受温度扰动来设置边界条件的,本文通过计算分析,指出这种边界条件存在明显的物理矛盾,提出了适用于毛细微槽和微通道的新的边界条件,消除了这些矛盾,结果显示,在薄液膜蒸发过程中,本征弯液面的半径不是维持不变的,而是随着过热度的增加而逐渐增大,这必将导致微槽内毛细压力的降低,从而降低微槽的毛细极限。在新边界条件下,薄液膜的总传热量与传统方法的结果相差不大。  蒸发薄液膜区域总是与其毗邻的固体、液体形成一个复合系统,复合传热的研究具有更加广泛的应用意义。由于蒸发薄液膜区域控制方程高阶、非线性且对边界条件非常敏感的特点,使得薄液膜区域的复合换热计算非常困难,在迄今为止的文献中尚无完全意义的复合传热计算。本文提出了一种新的复合传热计算方法,研究了固体壁面对薄液膜传热的影响,并为复合传热的简化计算指出了方向。定壁面温度蒸发薄液膜模型高估了液膜区域的传热量。  
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