微尺度相变传热的关键问题.pdf

第卷第期力学进展从〕
年月日,

微尺度相变传热的关键问题’

甘云华‘,徐进良周继军‘,“陈勇
中国科学技术大学热科学与能源工程系,合肥
中国科学院广州能源研究所,广州

摘要由于航天、信息、生物等高技术的发展,微尺度热物理问题得到了广泛的重视作为一种非常高效的能量
转换方法,微尺度相变传热的研究远未成熟本文对微尺度相变传热作了较为系统的综述,论述了控制微尺度相变
传热的准则数,分析了沸腾起始点、流型、压降、传热系数、不稳定性、临界热流密度六大关键问题建议从实验
和理论两个方面对微尺度相变传热进行深入的研究,以进一步理解其机理,为微蒸发器的设计、制造及运行提供科
学依据和指导

关键词微尺度,沸腾,流型,不稳定性,临界热流密度

,
引言信息及生物等高技术的发展紧凑式蒸发器的研制得
到了广泛的重视除此之外,微尺度相变技术已被成

、
相变是自然界中最普遍的现象之一,它是指工功地应用于生物芯片的微泵打印头的设计中在这

,
质在固、液、气三相或其中两相之间的转换,伴随有些装置中当量直径在拼及以下的通道被称为
潜热的吸收或释放相变传热和单相传热最重要的微通道因而拜当量直径将成

,
区别在于能量转换可以发生在均匀的温度条件下为近几年微尺度蒸发器所感兴趣的尺寸然而由于

,
时至今日,人类对相变现象进行了长达几十年的研表面张力的作用以下当量直径通道的相变行

,
究从微观的角度看,相变是由于与工质相接触的边为已与大通道内明显的不同因而拼到
界条件改变后,引起分子间距的变化,而导致分子间间被称为细通道这里应特别说明的
势能及时均动能的变化,从宏观的角度看,发生了能是微尺度的概念对于所研究的问题具有很大的相对

,,,
量的转化理论上,分子动力学方法可以在无任何假性对于单相流其特殊性如分子力效应电粘性

,
设的条件下解决相变问题遗憾的是目前计算机所能效应要在至少拼以下当量直径的通道内才能

,
处理的分子个数太有限了,同时也由于描述分子间势显现出来因而研究拼以上当量直径的单相

,
能方程方面的困难,使得分子动力学在真正揭示相变流问题失去了明显的意义但对于相变问题如上所

,,
现象时受到很大的限制,因而相变问题大多依赖于实述在当量直径以下时表面张力的作用已非
验年之前的相变传热研究主要针对锅炉传热常显著
管第二次世界大战后,人类开辟了核能和平利用的拜及以下当量直径的微通道的相变传热需
新天地由于燃料棒束极高的热流密度,引发了人们要非常纯净的工作液体,除此之外,在该尺寸范围
对相变研究的热潮在研究成果方面,获得了诸如内,常规加工方法,如电火花、线切割等所获得的最
公式及核态沸腾传热系数对相变中好精度在几十微米,从而使得所得实验结果被加工误
的其它问题,如不稳定性现象,临界热流密度等也进差所带来的不确定度所淹没,因而建议采用微电子机
行了不少的研究械系统,加

,
随着制冷工业的发展,逐渐采用了小直径的毛细工工艺及技术其通道的粗糙度一般在士科之内

,,
管这种管径的尺寸一般在左右随着空间、综上所述按当量直径的范围将相变传热的通道尺

收稿日期一一,修回日期一奋
序广东省自然科学基金资助项目
寸划分如下汽相表观雷诺数
大通道
汽相惯性力
细通道户、‘
拼勃性力
微通道户拼

、
本文主要就微细通道内的相变传热的沸腾起始液相表观弗劳德数
点、流型、压降、传热系数、不稳定性、临界热流密
。、
度六大关键问题进行了比较全面和系统的综述吐液相惯性力
,’一了井犷
」重力
微尺度相变传热的准则数
汽相表观弗劳德数

,
在物理现象中物理量之间存在着固有的内在旦墨旦汽相惯性力
,
联系单个物理量不是独立起作用的而要受到支配重力
这个物理现象的客观规律性的制约这种客观规律可
以理解为问题的数学描写,也可以理解为物理量量纲毛细常数
之间的制约关系从理论上揭示这种物理量间的内在
。
,翌三二互豁性力
联系将使得所要求取的函数关系式的变量大幅度减互
表面张力
少,即变成为数不多的几个无量纲物理量群称为准
则数的函数关系式这种关系式称为准则关系式或上述个无量纲准则数对于大尺度及微尺度相
关联式由于对流换热问题的复杂性,直接通过纯理变传热都是适用的特别的,对于微尺度相变传热而

,,
论推导的方法来获取关联式通常难度很大因此言,表面张力起相对主要的作用,因而。,。“,及

,
广泛采用在理论指导下的实验研究方法将众多的影这个无量纲准则数最为重要当。,。二,
响因素归并成为数不多的几个无量纲准则数,通过实及均小于时,相对于表面张力,重力与’赓性
验确定所求解问题的具体实验关联式根据所求解问力变得很不重要当时,意味着与勃性力相
题的不同,分别称为对应问题的关联式,如压降关联比,惯性力较小在毛细管流中,相对于浮升力和惯
式、传热关联式等等性力,表面张力和豁性