微细通道受限气泡运动特性及传热机理研究

The motion behaviors of confined bubble in microchannel is complex physical phenomena. The forces acting on bubble change because dimension decreases. The shape of bubble is deformed because of space limited.The physical mechanism of bubble behavior is not same as it for classical dimension. The confined bubble will not detach from heating surface and have different performance of heat transfer and motion. The evaporation of thin liquid film may give more contribution than classcal bubble flow.There are lot unclear knowledge in the confined bubble motion, pressure pulsating and bubble enlongating process.The effects of dimension of channel, pressure,interface tension, velocity of liquid and heat flux on confined bubble behavior are waiting to understand. The analysis on thin film evaporation of confined bubble is absence. The control equations are hoped to be constructed to describe interfacial transport phenomena of confined bubble in this research. The transport process of interfaces of confined bubble behavior in micro-channel will be investigated though analysis solving and experimental measurement. The effects of micro and mini structure on bubble behavior are discussed. Multi factors influencing the behavior of confined bubble will be discussed. The effective method to decribe motion and heat transfer of confined bubble in microchannel will be investigated. The acting mechanism of influencing factors on confined bubble are analyzed. The theory to illustrate the characteristics of confined bubble behavior should be suggested.

微细通道内的受限气泡运动是复杂的物理现象，尺度减小造成了势场作用力的变化，微细尺度空间气泡因受空间限制而变形，不同于常规的气泡生长并脱离行为，具有特有的传热规律和流动特性，表现出与常规尺度下不同的薄液膜蒸发作用机制。微通道内受限气泡的运动行为、压力脉冲行为，以及气泡拉长过程蕴藏了丰富的未知内容，通道尺寸效应、压力、液体流速和热流密度等对受限气泡运动行为和传热的影响规律尚不清晰，关于受限气泡的薄液膜蒸发分析存在明显不足，对微通道受限气泡行为认识不够充分。本课题力图通过对微通道内受限气泡界面传递过程构建适用的控制方程，通过解析解和精密的可视化实验观测，研究微细通道内受限气泡前后界面传递过程和运动特性，讨论多因素对受限气泡行为和传热过程的影响，探寻受限气泡运动行为和换热规律的有效描述方法，分析各因素对受限气泡行为的作用机制，建立相关的理论描述。

高热流密度电子元器件的热管理是影响器件安全运行的重要因素，两相微细通道热沉具有优良的传热性能和独特的温度调节能力。发生于微细通道中的流动沸腾现象（如换热、压降等特点）不同于常规尺度通道，微细通道中的气泡存在受限生长现象。研究微细通道流动沸腾过程中受限气泡运动特性及传热机理对于理解微细通道流动沸腾至关重要。.本项目重点研究了单一气泡持续生长为拉长气泡的过程，发现整个气泡生长过程可分为三个阶段，分别为自由生长阶段、受限生长阶段和拉长阶段。在气泡自由生长阶段，气泡等效直径随时间的变化遵循幂律模型，与常规尺度空间中的气泡生长规律一致。在气泡受限生长阶段，气泡生长明显偏离常规尺度通道流动沸腾中的气泡生长规律。气泡受限生长阶段的开始以气泡最大局部空泡份额增加速度减缓和气泡高长比突然明显下降的首次同时发生为标志。在微细通道流动沸腾中，当气泡进入受限生长阶段后，气泡顶端气液界面在向通道限制壁面推进过程中曲率逐渐减小，气泡顶端界面存在扁平化的趋势，同时气泡最大局部空泡份额与气泡高长比的变化过程不再平滑而发生不规律波动。在受限生长阶段中，气泡生长速率偏离自由生长阶段的幂律模型，等效直径随时间呈线性变化关系。气泡顶端气液界面向限制壁面推进速度与其受到的壁面限制力之间存在的负反馈作用导致并维持了气泡在生长过程中出现的受限行为特征，而气泡受限行为特征将持续存在直到气泡在其高度方向完全受限并向拉长气泡转变时为止。受限生长阶段占整个气泡生长过程的不同比例以及气泡受限起始所对应的不同临界最大局部空泡份额。.气泡受限生长过程中当气泡高长比和气泡根部接触角减小时，气泡根部有效蒸发区气液界面上的液相气化作用得到显著增强，蒸汽产生速率大幅增加，导致气泡以相变潜热的形式从壁面带走更多热量，意味着气泡受限生长具有比自由生长更强的传热能力，因而在整个微细通道流动沸腾中，发生气泡受限及拉长的位置通常具有最高的局部换热系数。