种子汽泡抑制微尺度沸腾传热不稳定性的机理研究

由于微系统独特的加工工艺及大的表面切应力，使得微沸腾系统的汽泡核化非常困难，存在巨大的热力学非平衡性，如何控制热力学非平衡性成为高性能微蒸发器发展的瓶颈。本项目在实验室已有工作的基础上，提出采用种子汽泡控制热力学非平衡性，并消除流动不稳定性。种子汽泡由微通道上游的微加热器在脉冲电压的驱动下产生，是完全可控的。采用微系统加工工艺制备微系统、微流体光学系统对微沸腾系统进行流型、温度场等的测量，研究种子汽泡对系统热力学非平衡性及流动稳定性的影响,获得种子汽泡强化微蒸发器传热机理的直接证据。在理论和数值模拟方面，建立泡状流和长汽弹流流动与传热规律的数学模型，配合VOF界面捕获和追踪方法，提出求解策略，获得种子汽泡参数对流动稳定性的影响、系统从不稳定流动向稳定流动转化的临界条件、及种子汽泡抑制微尺度沸腾不稳定性的深层机理等。本项目为微系统热控提供一种原创的传热模式。

微系统独特的加工工艺和极大地表面切应力，使得微沸腾系统的汽泡核化困难，在系统内存在极大地热力学非平衡性，有效控制热力学非平衡性成为高性能微蒸发器发展的关键。本项目提出采用种子汽泡控制热力学非平衡性，消除流动不稳定性。采用微系统加工工艺制备了集成种子汽泡发生器阵列的硅基微通道蒸发器，完善了原有的微流体光学平台，测量了微汽泡成核及长大的瞬态过程。根据超快同步微流体测试系统的实验结果，获得了种子气泡控制流动不稳定性的相应沸腾模式及其机理。对种子汽泡热控汽液两相流动沸腾传热系统进行了非线性理论分析，定性定量研究表明，种泡热控下流动沸腾传热系统具有非线性混沌特性，低频发泡热控系统的混沌特性强；定量计算结果表明，系统存在4～8个分维，发泡后系统的关联维增大，影响系统的独立变量增多，系统的换热能力越强；高频发泡热控下的K熵值最小，信息丢失速度较慢，流型相对稳定，可预测性强，自沸腾系统次之，低频发泡热控系统的信息丢失速度最快。