复杂结构微通道沸腾转变区流型识别及混沌传热行为机理

Boiling heat transfer is proven to be one of the best methods to remove high heat flux in microdevices. Microchannels with combined cavities and ribs is presented to solve the heat dissipate of microelectronics. The problems of bubble motion with randomness and chaos in the flow transition zone should be conducted by visualization and the theories of computational homology and chaotic dynamics. The one main aim of this program is that mathematical model of flow transition zone is established in boiling heat transfer process, to reveal the characteristic of nonlinear dynamics of microchannels in the transition zone. Secondly, the effect of geometry, types of working fluid, heat flux and flow rate etc. on the flow transition zone is studied, to clarify the coupling mechanism between bubble chaos behavior and boiling heat transfer coefficient. Thirdly, the correlation model of boiling heat transfer coefficient with chaotic prediction is established as well. This project takes a new perspective to identify the flow pattern characteristics in the transition zone of boiling heat transfer and establish the synergy model. The results are helpful for designing effective cooling performance in microchannels.

微通道沸腾传热是解决高热流密度微型设备散热的有效方法之一。本项目以凹穴及内肋组合的复杂结构微通道为研究对象，针对微通道沸腾过程转变区流型气泡运动的随机性与混沌性等问题，基于混沌理论及计算同调群理论，采用可视化实验手段，对沸腾过程流型转变区的识别及混沌传热行为进行深入地研究。本项目旨在构建微尺度沸腾传热流型转变区识别的数学模型，探索复杂结构微通道流型转变区的非线性动力学特征；研究微结构型式、工质种类、热流密度及流量等参数对沸腾传热转变区的影响，阐明气泡混沌行为与沸腾传热系数之间的耦合机理；最后，建立混沌预测沸腾传热系数的关联式模型。本项目从新角度识别沸腾转变区流型特征及构建与传热的协同模型，为设计高效散热的微通道提供理论依据。

微通道沸腾传热是解决高热流密度微型设备散热的有效方法之一。微结构及工质种类会影响微通道沸腾传热性能，而气泡的混沌运动特性描述及流型演变的数学模型是揭示微通道强化传热性能的关键。本项目提出了基于图像处理技术、计算同调群理论及混沌理论研究复杂结构微通道沸腾传热特性的新思路。以含凹穴、内肋等粗糙微元体的复杂结构微通道为研究对象，研究结构形式、工质种类对微通道单相及沸腾传热性能的影响；采用可视化实验手段、计算同调群理论及混沌理论，研究沸腾传热过程流型演变规律及混沌传热特性，揭示微尺度复杂结构通道沸腾强化传热机理。首先，研究了微结构型式及工质种类对微通道传热性能的影响，获得了强化传热性能优异的微通道微结构，并建立了可评价变物性流体的综合性能评价数学模型。根据综合性能评价数学模型绘制以f/f0和Nu/Nu0为横纵坐标的图，可视化地对比各种工况下、不同型式微结构及种类工质的综合传热性能；其次，基于数字测量与图形处理分析探究纳米有机工质浓度场及微通道温度场的均匀性，构建了均匀系数（UCND）的数学评价模型。当系数UCND值越高，意味着纳米颗粒在纳米流体中分布更均匀或者微通道的温度分布更均匀；再次，研究了不同工况下复杂结构微通道的沸腾传热特性。由于壁面粗糙元使汽化核心点增多，在低热流密度时，气泡增多、有效地提高了临界热流密度，使沸腾传热明显比光滑微通道增强；最后，基于改进型0-1测试法的混沌识别理论进行流型辨别，探究复杂结构微通道流型演变的非线性动力学特征。针对不同流型，利用CHomP软件计算Betti数（β0和β1），量化获取流型与Betti数的关系，实现微通道内流型图像的拓扑表征，为流型识别提供理论基础。本项目结合计算数学、传热学及两相流等多交叉学科，创新性地研究微尺度沸腾传热过程中气泡混沌识别、流型演变及传热规律，为微通道的设计提供理论依据。