并行多微通道内压降特性实验研究(共9页)

1、中国(zhn u)工程热物理学会 传热(chun r)传质学学术会议论文(lnwn) 编号：153010并行多微通道内压降特性实验研究收稿日期：2015-08-24基金项目：国家自然科学基金资助（NO. 51376201）作者简介：严润刚，男，研士研究生，主要从事沸腾两相流研究。通信作者：潘良明，教授，cneng严润刚 潘良明 李鹏斐 何辉（重庆大学动力工程学院，重庆 400044）(Tel: Email:cneng)摘 要：本文采用去离子水作为实验工质，对14条水力直径为187.5 m的并行矩形微通道内的压降特性进行了实验研究。实验工况为：系统压力p=1.17 b

2、ar，入口温度Tin=55 C，质量流速分别为G=126.98 kg/ms和253.97 kg/ms，热流密度q=28.57 kW/m153.30 kW/m。实验结果发现，随着热流密度的增大，出口干度增加，汽相逐渐增多，实验压降值明显增大。通过实验所得的压降结果对目前主要的微通道压降模型进行评估表明，吻合度并不好，在Friedel关系式的基础上引入汽液两相雷诺数比值并考虑表面张力进行修正，得到一个新的两相流摩擦压降计算关系式，该关系能较好地预测本实验工况条件下的压降值，其平均绝对误差为14.18%。关键词：多微通道；两相流动；压降；关系式0 前言近年来，微电子、微型机电系统等得到了迅速的发展，

3、对于微型设备工作散热所带来的流动问题长久以来均未得到妥善解释，其流动和散热问题的机制仍不十分清楚。由于微通道具有较常规通道更高的面积体积比，故其换热性能较常规通道更高 1；但随着流道尺度的减小，液体的表面张力作用将逐步增强，导致微通道中的流动压降大幅增加，以致微通道内的流动呈现出与常规尺度通道不一样的物理现象。例如， Chang等 2 与Bogojevic等 3 在并行多微通道两相流动不稳定性研究中均报道了汽核向下游和上游扩张，并倒流进入入口联箱的现象。国内外学者对微小通道内流动阻力特性的研究结论虽部分具有相似性，但仍有大量结论大相径庭，如Qu等 4 报道了微小通道内的压力梯度和流动阻力较常规

4、尺度下更高；并认为这是由微通道内表面粗糙度引起的，进而提出了一个粗糙度粘度模型来解释他们的实验数据。Zhang和Webb 5 通过引入压比代替密度与粘度的比值对Friedel 6 关系式进行修正，得到新的两相摩擦关系式，且在他们的实验条件下具有非常高的计算精度。Li和Wu7考虑到随着流道尺度的减小，表面张力将逐渐上升为主导地位，从而引入反映表面张力和流道尺度影响的Bond数，并与雷诺数Re相结合对两相流摩擦乘子中的Chisholm参数C进行修正，发展了一个新的压降计算式。本文通过对14条水力(shul)直径为187.5 m的并行矩形多微通道内的压降阻力特性进行实验研究，将目前已有的微小通道内两

5、相摩擦压降计算关联式与所得实验数据进行比较(bjio)分析，考虑表面张力(biominzhngl)和两相流雷诺数的影响，获得了一个适用于计算类似本实验工况范围的压降计算关联式，为今后为类似本实验工况范围的设计计算与校核计算选取适宜的关联式提供参考。图1 实验台回路系统简图1 实验原理及误差分析实验回路如图1所示。采用电导率为1 S/cm的去离子水作为实验工质，经储液箱加热至沸腾一段时间排除不凝气后由蠕动泵供入实验回路。在过滤器过滤之后，经过球阀和IV级浮子流量计进行流量控制和测量，流量计精度为4%，并由恒温水箱将其预热至55 C后通入实验段。实验段采用无氧铜作为微通道的加工基体，上面加工有14

6、条水力直径为187.5 m的并行矩形微通道（参数如表1中所示）。采用精密压力变送器和压差变送器分别测量进出口联箱的压力波动和压降变化，最后工质通过混凝器、冷凝水箱冷凝并返回储液箱。表1 实验段参数情况nDh(m)L（cm）H(m)W(m)14187.54.6150250压力变送器精度为0.35%，压差变送器精度为0.25%，并采用精度0.5%的级T型热电偶对进出口水温和壁温进行测量。在系统压力p=1.17 bar，入口温度Tin=55C下，分别维持质量流速G为126.98 kg/ms和253.97 kg/ms，使热流密度q从28.57 kW/m逐渐增大到153.30 kW/m，并通过NI数据采

7、集程序对温度和压力压差变化进行实时监控与数据采集。设置采样率为100 Hz，待工况稳定一段时间后进行数据采集，并将采集数据平均后得到压降值。2 理论计算分析本实验(shyn)中，由于实验(shyn)段进出口与联箱截面积不相同(xin tn)，导致工质在微通道入口处流速增大，压力降低；在微通道出口处流速减小，压力升高。这两部分由于截面突然变化而引起的压降可分别由进口压缩压力损失和出口扩张压力恢复表示。考虑到实验段入口工质存在一定的过冷度（即实验段进口水温低于系统压力下的饱和温度值），所以实验段将在入口附近存在一段单相液体区域。因此对于微通道内流动的总压降将由单相段总压降与两相段总压降组成，而单相

8、段总压降与两相段总压降分别由摩擦压降与加速压降共同组成。据此，微细通道压降计算式可表示为： （1）表2提供了进口突然收缩压降、出口扩张压降、单相段加速压降和摩擦压降，以及两相段加速压降计算方法。现对于本实验压降计算，重点在于如何求解两相流动全液相摩擦乘子。然而，目前专门用于计算多微通道内两相流动全液相摩擦乘子的模型尚未建立，大多是通过对常规尺度下基于分相模型提出的Chisholm/Lockhart-Martinelli关系式中C值进行修正，并获得适用于计算多微通道内两相流动全液相摩擦乘子的计算式，如Sung-Min Kim ADDIN EN.CITE Kim201210061010061006

9、17Kim, Sung-MinMudawar, IssamUniversal approach to predicting two-phase frictional pressure drop for adiabatic and condensing mini/micro-channel flowsInternational Journal of Heat and Mass TransferInternational Journal of Heat and Mass Transfer3246-3261551112Pressure dropAdiabatic two-phase flowCond

10、ensationMini-channelMicro-channel20125/0017-9310/science/article/pii/S001793101200110X/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2012.02.047 HYPERLINK l _ENREF_10 o Kim, 2012 #1006 10、Mishima and Hibiki ADDIN EN.CITE Mishima19961007111007100717Mishima, K.Hibiki, T.Some characteristics of air-water two-phase flow

11、 in small diameter vertical tubesInternational Journal of Multiphase FlowInternational Journal of Multiphase Flow703-712224gas-liquid flowsmall diameter tubecapillary tubeflow measurementflow regimevoid fractionpressure lossneutron radiography19968/0301-9322/science/article/pii/0301932296000109/10.1

12、016/0301-9322(96)00010-9 HYPERLINK l _ENREF_11 o Mishima, 1996 #1007 11、Qu and Mudawar ADDIN EN.CITE Qu2003100891008100817Qu, WeilinMudawar, IssamMeasurement and prediction of pressure drop in two-phase micro-channel heat sinksInternational Journal of Heat and Mass TransferInternational Journal of H

13、eat and Mass Transfer2737-27534615Micro-channelTwo-phase flowBoilingPressure drop20037/0017-9310/science/article/pii/S0017931003000449/10.1016/S0017-9310(03)00044-9 HYPERLINK l _ENREF_9 o Qu, 2003 #1008 9 和Zhang and Xu ADDIN EN.CITE 张炳雷20071009121009100917张炳雷, 徐 进 良, 肖泽军低高宽比矩形微通道中流动沸腾的压降特性中国工程科学中国工程

14、科学86-932007 HYPERLINK l _ENREF_12 o 张炳雷, 2007 #1009 12 等。也常用基于均相流模型的两相摩擦乘子计算微小通道内压降值，如Friedel ADDIN EN.CITE J.G. Collier1994100561005100517J.G. Collier, J. R. ThomeConvective boiling and condensationThird ed., Oxford University Press, OxfordThird ed., Oxford University Press, Oxford119943/0142-727X/

15、science/article/pii/0142727X8390022X/10.1016/0142-727X(83)90022-X HYPERLINK l _ENREF_6 o J.G. Collier, 1994 #1005 6 关系式：表2 各类压降计算关系式Table.2 Correlation of various types of pressure drop进口压缩压力损失和出口扩张压力恢复计算关系式 ADDIN EN.CITE J.G. Collier1994100561005100517J.G. Collier, J. R. ThomeConvective boiling and

16、 condensationThird ed., Oxford University Press, OxfordThird ed., Oxford University Press, Oxford119943/0142-727X/science/article/pii/0142727X8390022X/10.1016/0142-727X(83)90022-X HYPERLINK l _ENREF_6 o J.G. Collier, 1994 #1005 6 单相段压降计算关系式 ADDIN EN.CITE Kim2012101181011101117Kim, Sung-MinKim, Josep

17、hMudawar, IssamFlow condensation in parallel micro-channels Part 1: Experimental results and assessment of pressure drop correlationsInternational Journal of Heat and Mass TransferInternational Journal of Heat and Mass Transfer971-983554CondensationMicro-channelHigh-flux20121/31/0017-9310/science/ar

18、ticle/pii/S0017931011005825/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2011.10.013 HYPERLINK l _ENREF_8 o Kim, 2012 #1011 8 两相段压降计算关系式 ADDIN EN.CITE Qu2003100891008100817Qu, WeilinMudawar, IssamMeasurement and prediction of pressure drop in two-phase micro-channel heat sinksInternational Journal of Heat and Mass

19、TransferInternational Journal of Heat and Mass Transfer2737-27534615Micro-channelTwo-phase flowBoilingPressure drop20037/0017-9310/science/article/pii/S0017931003000449/10.1016/S0017-9310(03)00044-9 HYPERLINK l _ENREF_9 o Qu, 2003 #1008 9 （2）其中(qzhng)， （3） （4） （5）为验证(ynzhng)以上各关系式是否能对本实验(shyn)工况下的压降

20、进行较好预估，将实验所得压降值与Sung-Min Kim 10、Mishima and Hibiki 11、Qu and Mudawar 9、Zhang and Xu 12 和Friedel 6 等关系式预测值进行对比分析。图2 压降随热流密度的变化Fig.2 Variation of pressure drop with heat flux 3 结果分析如图2所示为压降随热流密度的变化情况。从图2中可以看出，在质量流速较小时，随着热流密度增大，工质温度上升，粘性力下降，使压降呈现出略有下降的趋势，随着热流密度的继续增大，汽相明显增多，压降又呈现出急剧增大的趋势。这是由于在微通道中，液体过冷度

21、越低，粘性力越低，流阻相对更低；由于表面张力作用，两相流所产生的流阻将明显高于纯液相流阻。此现象与Gopinath R. Warrier ADDIN EN.CITE Warrier20021014131014101417Warrier, Gopinath R.Dhir, Vijay K.Momoda, Leslie A.Heat transfer and pressure drop in narrow rectangular channelsExperimental Thermal and Fluid ScienceExperimental Thermal and Fluid Science5

22、3-64261Single-phaseTwo-phaseHeat transferPressure dropSmall channel20024/0894-1777/science/article/pii/S0894177702001073/10.1016/S0894-1777(02)00107-3 HYPERLINK l _ENREF_13 o Warrier, 2002 #1014 13 等的研究中所述压降随热流密度变化情况相似。对比(dub)质量流速分别(fnbi)为G=126.98 kg/ms和G=253.97 kg/ms时的情况(qngkung)，可以看到，在热流密度较小，工质处于单

23、相液体流动或出口干度极低的情况，两者压降变化相对较小，两者压降之差相对恒定；随着热流密度的增大，质量流速小的汽相明显增多，出口干度远大于质量流速大的情况，使其压降率先大幅增加，当热流密度达到59.83 kW/m时，其压降值已超过了质量流速较大的压降值；随着热流密度的继续增大，质量流速大的汽相也逐渐增多，压降迅速增大并较之质量流速小的增大更加剧烈，压降出现反超，并逐渐加大与质量流速低的压降值之间的差距。结合表2与Sung-Min Kim 10、Mishima and Hibiki 11、Qu and Mudawar 9、Zhang and Xu 12 和Friedel 6 等两相摩擦乘子计算关系

24、式，计算得到实验工况下总压降随热流密度的变化情况。将以上计算结果与实验结果进行比对，得到如图36所示结果。其中，图3所示的Sung-Min Kim 10 关系式是对Chisholm/Lockhart-Martinelli关系式进行了修正，该关系式所得预估值与实验值之间的平均相对误差（MAE）为25.50%，其预测精度略高于Sung-Min Kim 10 中所报道的多通道内两相流动压降预估精度，且对本实验工况下的两相流动摩擦压降仅能进行粗略预估。图4中对Mishima and Hibiki 11、Qu and Mudawar 9 和Zhang and Xu 12 三个关系式计算结果进行了对比，发

25、现其预估值具有较好的一致性。其主要原因可能是Mishima and Hibiki 11 关系式是直接对Chisholm/Lockhart-Martinelli关系式中C进行修正，并将其与流道尺寸进行关联，得到一个关于水力直径Dh的含量纲的参量。而Qu and Mudawar 9 和Zhang and Xu 12 的关系式则是在Mishima and Hibiki 11 修正方法基础上加入了质量流速G对Chisholm参数C值的影响所得到的，以致于有了相对较好的一致性。图5则集中展现了此三关系式预估值与本实验工况所得的实验值的误差分析结果，发现用这三个关系式对本实验进行预估将存在较大误差，其平均

26、绝对误差为37.31%。图3 Sung-Min Kim关系式预测值与实验数据比较图4 压降关系式预测值随热流密度的变化 图5 三个关系式预测值与实验数据比较图6 Friedel关系式预测值与实验数据比较本实验段水力直径(zhjng)很小，根据Cheng 14 等人对流道尺度划分的定义，已属于微通道。在微通道中，表面张力(biominzhngl)影响较大并通常占据主导作用。Friedel 6 关系式中所含的韦伯数We很好的考虑到了来流惯性力与表面张力的作用。因此，如图6所示，Friedel 6 关系式能较好的预测实验结果，预估值与实验值平均(pngjn)绝对误差仅为18.83%。随着水力直径减小

27、，重力作用逐渐减小，当流道尺度达微米级，即微通道下，重力对流动的影响基本可以忽略，而表面张力的影响将逐渐上升为主导地位。本文实验段水平放置，故无需考虑重力的影响。如图7所示，Friedel ADDIN EN.CITE J.G. Collier1994100561005100517J.G. Collier, J. R. ThomeConvective boiling and condensationThird ed., Oxford University Press, OxfordThird ed., Oxford University Press, Oxford119943/0142-727X

28、/science/article/pii/0142727X8390022X/10.1016/0142-727X(83)90022-X HYPERLINK l _ENREF_6 o J.G. Collier, 1994 #1005 6 关系式已表现出了较好的预测精度，同样在Zhang和Webb 3 的报道中也具有较高的预测精度，故得到了很好的印证。由于Friedel ADDIN EN.CITE J.G. Collier1994100561005100517J.G. Collier, J. R. ThomeConvective boiling and condensationThird ed.,

29、Oxford University Press, OxfordThird ed., Oxford University Press, Oxford119943/0142-727X/science/article/pii/0142727X8390022X/10.1016/0142-727X(83)90022-X HYPERLINK l _ENREF_6 o J.G. Collier, 1994 #1005 6 关系式中考虑到了重力的影响，本文中将根据Sung-Min Kim 10 等人通过引入汽液两相雷诺数和韦伯数We对Chisholm/ Lockhart-Martinelli关系式中C值的修正

30、方法，通过去掉Friedel ADDIN EN.CITE J.G. Collier1994100561005100517J.G. Collier, J. R. ThomeConvective boiling and condensationThird ed., Oxford University Press, OxfordThird ed., Oxford University Press, Oxford119943/0142-727X/science/article/pii/0142727X8390022X/10.1016/0142-727X(83)90022-X HYPERLINK l _

31、ENREF_6 o J.G. Collier, 1994 #1005 6 关系式中弗劳德数Fr，消除重力作用的影响，引入汽液两相雷诺数比值并与韦伯数We相结合，通过多元线性拟合对Friedel 6 关系式进行修正，得到新的两相流摩擦压降乘子计算关系式： （6）其中(qzhng)，F、E、H的值均根据(gnj)式（3）（5）求得。图7与图8分别(fnbi)示出了新的压降计算关系式与实验值之间的吻合情况。从图7中可以直观看出新的计算关系式与实验值吻合较好。图8将其计算值与实验值进行了平均绝对误差分析，呈现出新计算关联式具有较好的预测精度，平均绝对误差为14.18%。图7 新的关系式预测值与实验数据

32、比较图8 新的关系式预测值与实验数据比较4 结论本文以去离子水为实验工质，在14条水力直径为187.5 m的并行矩形多微通道中进行流动沸腾压降特性实验研究，得到以下结论：（1）过冷度不变的情况下，随着热流密度的增大，质量流速较小时压降呈现出先略有下降再急剧增大的趋势。质量流速小的压降率先出现明显增大的趋势，并超过质量流速大的压降值，只有当热流密度继续增大之后，质量流速大的压降才急剧增大，反超质量流速小的压降值，并逐渐拉大差距。（2）Mishima and Hibiki、Qu and Mudawar和Zhang and Xu三者的关系式均采用相类似的方法对Chisholm/Lockhart-Ma

33、rtinelli关系式中C值进行修正，三者计算值具有很好的一致性，平均绝对误差也极为接近，对本实验工况压降预测精度相对较差。（3）采用均相流模型建立的Friedel关系式，很好地考虑了表面张力的作用，将其用于本实验下并行矩形多微小通道内两相摩擦压降特性计算，具有较高的计算精确度。Sung-Min Kim关系式也通过对Chisholm/Lockhart-Martinelli关系式中C值加入表面张力等因素的影响，获得了较好的预测精度。（4）忽略重力的影响，引入汽液两相雷诺数比值对Friedel关系式进行修正，获得(hud)新的多微通道内两相流动摩擦压降计算关系式，可对本实验工况下的压降进行很好的预

34、估(y )。参考文献 ADDIN EN.REFLIST 1 Wu Z, Sundn B. On further enhancement of single-phase and flow boiling heat transfer in micro/minichannelsJ. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014;40:11-27.2 Chang KH, Pan C. Two-phase flow instability for boiling in a microchannel heat sinkJ. International Jou

35、rnal of Heat and Mass Transfer. 2007;50:2078-88.3 Bogojevic D, Sefiane K, Walton AJ, Lin H, Cummins G. Two-phase flow instabilities in a silicon microchannels heat sinkJ. International Journal of Heat and Fluid Flow. 2009;30:854-67.4 Weilin Q, Mohiuddin Mala G, Dongqing L. Pressure-driven water flow

36、s in trapezoidal silicon microchannelsJ. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2000;43:353-64.5 Zhang M, Webb RL. Correlation of two-phase friction for refrigerants in small-diameter tubesJ. Experimental Thermal and Fluid Science. 2001;25:131-9.6 J.G. Collier JRT. Convective boiling and condensationM. Third ed, Oxford University Press, Oxford. 1994.7 Li W, Wu Z. A general correlation for adiabatic two-phase pressure drop in