鋁基微通道內納米流體飽和沸騰及可視化研究

羅小平，涂華營，鄧君

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鋁基微通道內納米流體飽和沸騰及可視化研究

羅小平，涂華營，鄧君

(華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州，510640)

分別以去離子水及質量分數為0.3%，0.6%和0.9% Al2O3納米流體為工質，在截面寬×高為0.3 mm×2.0 mm矩形鋁基微通道內進行沸騰換熱實驗，并利用高速攝像儀進行可視化研究，分析熱流密度、雷諾數、壁面粗糙度對流體傳熱系數的影響，探究流體流型變化與氣泡生長規律。研究結果表明：納米流體與去離子水的飽和沸騰傳熱系數隨熱流密度的增加而快速增大，努塞爾數隨雷諾數增大而增大但增幅不同，質量分數為0.3%，0.6%和0.9%的3種納米流體的比去離子水的分別提高約8%，13%和16%；在相同熱流密度及質量流速條件下，納米流體與去離子水的傳熱系數均隨傳熱壁面粗糙度的增加而增大；流體流型的變化呈現周期性，增大熱流密度，可縮短氣泡生長周期，泡狀流比例增加。

微通道；納米流體；傳熱系數；粗糙度；可視化

受現代社會高新科技的快速發展的推動，微電機系統、精密農業機械、生物醫學等科技產品朝著高度集成化的方向發展，由于它們的熱流密度較高，微空間的傳熱冷卻問題亟待解決[1]。在此背景下，以微尺度相變理論為基礎的微通道內兩相流動沸騰傳熱的研究變得極具研究潛力，微空間內的高效散熱問題也受到新型科技產品的青睞。Dai等[2?3]發現將高導熱性能的納米流體應用于微通道中，利用工質的相變潛熱使元件的換熱表面保持在安全溫度以下，可大大提高電子元件的工作壽命。近年來，人們對微尺度傳熱的研究已取得了一定的成果。Qu等[4?5]致力于研究微通道換熱器內兩相流沸騰流動傳熱，他們發現在熱力學平衡干度零點附近，流型突然轉變為環流，傳熱的主導機理為強制對流沸騰傳熱，同時他們建立了環流預測模型。Lee等[6]進行了硅基微通道內的飽和沸騰傳熱及壓降的實驗研究，修正得到了適合其實驗條件的傳熱系數計算公式。Kim等[7?8]基于前人的實驗研究數據，建立起微通道傳熱的數據庫，并利用數據庫數據對先前的傳熱系數計算公式進行了驗證性評價。常威等[9]對豎直微通道內水沸騰過程中氣泡的生長形態及傳熱特性進行了數值模擬。但截至目前仍然沒有一個普適的統一理論模型來深入解釋沸騰傳熱的本質機理。本文作者通過矩形微槽道內Al2O3納米流體的換熱實驗，旨在研究納米流體流動沸騰過程中熱流密度、壁面粗糙度等因素對微通道流體沸騰換熱效果所產生的影響，同時利用高速攝像儀進行氣泡生長及流型變化的可視化研究。通過探討微通道內納米流體沸騰傳熱機理，以期對已有沸騰理論進行補充和完善。

1　實驗設備及方法

1.1實驗系統

圖1所示為實驗系統示意圖。整個實驗平臺包括水箱、高溫水泵、轉子流量計、實驗段、除泡器、傳感器、數據采集卡、計算機、高速攝像儀等設備。流體及信號流向如圖1中箭頭所示。工質由高溫熱水泵從水箱中抽出，一部分通過回流管道流回水箱，另一部分流經過濾網和轉子流量計后進入實驗段。設計回流旁路可方便控制實驗段流量和壓力。從實驗段流出的工質已是氣液兩相的混合流，經過除泡處理后再流回水箱，實現循環實驗。高速攝像系統置于試驗段側面。

實驗段采用一體式結構，材質均為鋁合金，能夠保證實驗段具有良好的傳熱性能。實驗段開有4對壁面測溫孔，采用鎧裝型Pt100熱電阻進行測溫。加熱板和槽道基體之間通過導熱硅脂連接，整個實驗段由保溫棉包裹，以減少熱量損失。

圖2所示為實驗段通道截面示意圖，具體參數取值如表1所示。圖2和表1中：為槽道個數；c為槽道寬；t為槽道間距；c為槽道高；p為蓋板厚度；b為基座厚度；ud為上下測溫點間距；wu為上測溫點到槽道底部的距離；h為槽道水力直徑。

1, 2—PC工控機；3—高速攝像儀；4—強光源；5—數據信號；6—實驗段；7—溫度壓力傳感器；8—調壓器；9—除泡器；10, 14—控制閥1；11—轉子流量計；12—數據采集卡；13—過濾網；15—水泵；16—保溫水箱；17—PID恒溫控制器

圖2 微通道橫截面示意圖

表1 槽道尺寸參數的取值

1.2納米流體的配置及其熱物理性質

實驗所用水基Al2O3納米流體采用共混法[10]制備。為防止納米流體產生團聚現象，在流體中加入體積分數約1%的醋酸，形成納米粒子懸浮液，攪拌10~20 min形成含納米粒子顆粒的水溶膠，輔以超聲波震蕩儀進行振動，使納米粒子均勻、穩定地分散在液體介質中。

若納米顆粒黏度過高，則在實驗過程中可能會附著在槽道壁面而降低傳熱性能，因此，實驗配置的Al2O3納米顆粒質量分數較少，分別為0.3%，0.6%和0.9%。同時由于納米粒子直徑極小，這樣避免了通道的磨損或阻塞，也幾乎不會影響系統的阻力損失。

實驗中所用納米流體的相關物性參數計算式為[11]：

式中：下標nf表示納米流體；f表示去離子水；p表示納米顆粒；為密度；為導熱系數；為黏度；為質量分數；為體積分數。

實驗采用LVDV?П型旋轉黏度計對Al2O3納米流體實際黏度[12]進行測量。3種濃度的納米流體及去離子水在飽和溫度下的物性參數如表2所示。

1.3微槽道壁面粗糙度的表征

圖像灰度在空間以紋理變化形式生成的圖案是對真實物體表面固有特征的體現，表面的微小起伏不平以及凹坑、破碎等細微缺陷也可表現為不同的紋理基元排布規律。統計并分析表面數字圖像的灰度直方圖，可以掌握壁面紋理和灰度信息，從而評定壁面粗糙度情況[13]。

灰質化處理主要是消除圖像中RGB的色彩信息，本文選用1種常見的加權平均算法：

式中：為某一像素點灰度信息；ed，re和lu為該像素點三原色分量。

對于本次實驗，中值濾波可表述為：

經上述處理后，得到灰度計算公式。

1.4數據處理

本實驗中由于鋁導熱性能較好，熱平衡偏差較小，且在通道飽和沸騰區域內，壁面溫度相對穩定因而可以認為在鋁制基座內的熱量均沿如圖2所示截面傳遞，而忽略通道壁面沿流動方向的熱傳遞[14]。

流動工質與微通道壁面之間的傳熱系數為

式中：為對流換熱面積，即微通道底面和兩側總面積；為流動工質帶走的總熱量，

Δm為流體與壁面的平均溫差，

有效熱流密度為

雷諾數為

表2 納米流體物性參數

努塞爾數為對流傳熱系數與導熱系數的比率：

2　實驗結果及分析

2.1熱流密度對傳熱的影響

泡核沸騰傳熱機理的一個重要特征是傳熱系數隨熱流密度的變化較快。實驗探究熱流密度對納米流體傳熱的影響，得到納米流體在不同熱流密度下的傳熱系數。圖3所示為納米流體質量流速為198.14 kg/(m2?s)時, 0.3 mm×2.0 mm微通道傳熱系數與熱流密度的關系。

1—質量分數為0.9%的納米流體；2—質量分數為0.6%的納米流體；3—質量分數為0.3%的納米流體；4—去離子水

顯然，納米流體與去離子水的傳熱系數均隨熱流密度的增加而快速增加。這個結論與文獻[15]提出的中沸騰數理論結果相吻合。并且熱流密度增加時，壁面與流體間的瞬時溫差增大，氣化核心產生氣泡的速度以及氣泡脫離直徑增加，使液體所受擾動加劇，增強了流體與壁面的換熱。此結論也將在可視化研究中得到體現。在本實驗中，泡核沸騰傳熱機理起到主導作用。

另外，由圖3可以發現，在相同的質量流速下，納米流體的換熱系數比去離子水的換熱系數高14%左右。可見加入納米顆粒會增加流體的導熱系數，同時由于顆粒之間、顆粒與基液以及顆粒與壁面之間的相互作用及碰撞會增加流體分子之間動量和能量的交換，從而強化了傳熱。

2.2雷諾數對努塞爾數的影響

根據實驗中所得的測溫點溫度以及質量流量結果，計算得到實驗時流體的對流換熱準則數，將實驗結果繪制成?圖(見圖4)，這在一定程度上反映流體傳熱效率的變化情況。圖4中流體熱流密度為29.6 kW/m2。

由圖4可得：在本實驗條件下，納米流體與去離子水的均隨的增大而增大，并在較大時，有增長加快的趨勢，這也從側面反映出流體質量流量增大使傳熱效果得到改善。對比相同時納米流體與去離子水的可發現，納米流體比去離子水的大，并且納米顆粒質量分數越高，越大，質量分數為0.9%，0.6%和0.3%的3種納米流體相比于去離子水約分別高16%，13%和8%。這與Wu等[16]的研究結果相似。這是由于流體中納米顆粒含量增加所導致的對流傳熱效應大于熱傳導效應，從而使流體的傳熱效果得到增強。

1—0.9%納米流體；2—0.6%納米流體；3—0.3%納米流體；4—去離子水

2.3通道壁面粗糙度對傳熱的影響

采用化學拋光的方法來改變通道內傳熱壁面的粗糙度，計算相應的灰度均方差u，u越大，對應的表面紋理變化就越劇烈，表面粗糙度越大[17]。經計算，原始傳熱壁面及2次拋光后傳熱壁面的平均u分別為51.2，38.7和25.3。經過拋光處理后的傳熱壁面粗糙度逐漸減小，也即越來越光滑。

圖5所示為質量分數0.3%納米流體在不同傳熱壁面粗糙度條件下，通道內飽和流動沸騰傳熱系數隨質量流速的變化關系。在相同熱流密度及質量流速時，2種工質的傳熱系數均隨傳熱壁面粗糙度的增加而增大。當工質為去離子水且=23.50 kW/m2時，u=25.3表征的壁面(即2次拋光處理后)，相對于原始壁面(u=51.2)，傳熱系數平均下降約12.53%；當工質為納米流體時，在相同條件下，傳熱系數平均下降為8.07%，顯然下降幅度比去離子水的下降幅度小。當熱流密度為其他值時可得到同樣的結論。由此可見，傳熱壁面粗糙度對去離子水的影響相對較大。

粗糙度對流動沸騰傳熱產生影響主要有2個方面的原因。一方面，從氣泡動力學角度來看，傳熱壁面粗糙度越大時，壁面在沸騰過程中能夠產生更多的活躍核化點，而氣泡正是從這些活躍核化點生成，同時傳熱壁面越粗糙，形成氣泡的空腔變大，氣泡的脫離直徑更小，脫離頻率更快，而在本次實驗條件下，泡核沸騰傳熱起主導作用，因而帶來了傳熱系數的增大；另一方面，靠近壁面處，流體由于黏力的作用會形成一定厚度的邊界層，而粗糙度增大會對該邊界層產生擾動作用，該作用甚至能夠使流體在較低流速下進入湍流狀態。

(a) 去離子水為工質；(b) 納米流體為工質

u：1—51.2；2—38.7；3—25.3

圖5 不同壁面粗糙度條件下的傳熱系數

Fig. 5 Heat transfer coefficients from different wall roughness

2.4流體氣泡流型可視化研究

利用高速攝影儀對微槽道內兩相流沸騰傳熱過程中的氣泡生長過程以及流型變化情況進行拍攝記錄，并在工控機上進行圖像數據分析。

圖6所示為去離子水在不同熱流密度、質量流速為295.74 kg/(m2?s)時，距入口約160 mm處通道內氣泡的生長情況。對比氣泡生長過程，可以發現從槽道壁面脫離的氣泡在隨著流體向上運動的過程中都是逐漸變大的，但生長速度不同，生長周期不同。測量氣泡在生長過程中不同時刻的直徑，得到不同熱流密度下的氣泡直徑變化規律如圖7所示。

熱流密度q/(kW?m?2-): (a) 16.73; (b) 21.82; (c) 25.67

熱流密度q/(kW?m?2-): 1—16.73; 2—21.82; 3—25.67

從圖6可見：當為16.73 kW/m2時，氣泡從剛剛脫離壁面到長大并最終發生形變所用時間約為65.1 ms，且成長過程比較均勻；當為21.82 kW/m2時，氣泡的生長周期為57.5 ms，以至于擠壓到壁面發生形變，并有與其他氣泡合并的趨勢；當增大到25.67 kW/m2時，可以發現整個槽道內氣泡數目明顯增多，并已經開始和后邊的氣泡接觸及合并，這時氣泡生長周期縮短至48.4 ms。在這里引入氣泡生長速率，即圖7所示曲線的斜率，可以看出為25.67 kW/m2時，曲線平均斜率最大，即生長速度最快；為 21.82 kW/m2時的氣泡生長速度次之，為16.73 kW/m2時速度最慢。由此得到，隨著熱流密度的不斷增大，氣泡的生長速度逐漸加快，生長周期縮短。

目前，由于大多數T2DM患者由于對自身疾病認識不足、皮下注射腹部定位卡缺乏了解及不注意自我監測和注意飲食等原因，且住院期間由于認知、情緒、環境等因素的變化，從而導致血糖控制不佳，并發癥發生率的增加，嚴重影響患者預后，因此，尋求更合適有效的干預方式成為近年來的研究重點[4]。

研究發現，即便在幾個不同的熱流密度條件下，流體流型均以泡狀流—彈狀流—環狀流—液態單相流方式進行，只是發生變化的周期所占比例不同。在單相流中，氣泡又開始產生并向出口處移動，重新回到泡狀流狀態。但泡狀流時，不同熱流密度條件下氣泡生成速度及脫離狀態有所不同。在高熱流密度條件下氣泡脫離、上升速率較快，所以，產生的氣泡大都為小氣泡，不易形成彈狀流，泡狀流在整個周期中比例較大，由此加劇了泡核沸騰傳熱的效果。

3　結論

1) 在本實驗條件下，納米流體與去離子水的飽和沸騰傳熱系數均隨熱流密度的增加而增大，這是由汽化核心產生氣泡的速度以及氣泡的脫離直徑增大引起；在相同條件下，納米流體的換熱系數比去離子水高14%左右，證明了納米流體的強化換熱效果。

2) 在流動沸騰過程中，納米流體與去離子水的均隨的增大而增大。在定質量流速條件下，納米流體的比去離子水大，0.9%，0.6%和0.3%這3種質量分數的納米流體與去離子水相比，其約分別提高16%，13%和8%。

3) 在相同熱流密度及質量流速條件下，納米流體的傳熱系數隨傳熱壁面粗糙度的增加而增大，傳熱壁面粗糙度對去離子水換熱的影響比對納米流體更 明顯。

4) 在微通道內流動沸騰過程中，流體流型以泡狀流—彈狀流—環狀流—液態單相流方式周期性變化；隨著熱流密度的增大，氣泡的生長速度加快，生長周期縮短，泡狀流比例增加，從而強化了傳熱效果。

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(編輯 羅金花)

Saturated boiling and visualization of nanofluids in aluminum-based microchannels

LUO Xiaoping, TU Huaying, DENG Jun

(School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

The boiling heat transfer characteristics were experimentally investigated through aluminum-based rectangular microchannels with the size of 0.3 mm×2.0 mm, using Al2O3-H2O nanofluids with particle of 0, 0.3%, 0.6%, 0.9% (mass fraction) as the working fluids, and the visualization was studied by using high speed camera device. The influence of heat flux,and wall roughness on the fluid heat transfer coefficients was discussed, and the variations of stream pattern and the bubbles’growth were investigated. The results show that the saturated boiling heat transfer coefficients of nanofluids and deionized water both increase significantly with the increase of mass flow rate. The values ofincrease with the increase of. But the amount of increase is different. Theof nanofluids with particle of 0.3%, 0.6% and 0.9% are 8%, 13% and 16% higher than those of deionized water. With the same heat flux density and mass velocity, the heat transfer coefficient of two working fluids both increase with the increase of roughness of the channels. The stream pattern changes periodically, and the growth cycle of the bubbles will be shorter when heat flux density increases.

microchannel; nanofluid; heat transfer coefficient; roughness; visualization

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.09.048

TK124

A

1672?7207(2015)09?3520?07

2014?10?29；

2014?12?30

國家自然科學基金資助項目(21276090) (Project(21276090) supported by the National Natural Science Foundation of China)

羅小平，教授，博士生導師，從事微尺度相變強化傳熱機理、微尺度熱物理系統的拓撲學、分子動力學模擬等研究；E-mail: mmxpluo@scut.edu.cn