2數值模擬結果與分析

2.1模型可靠性驗證

通道內沿流動方向依次出現的流型如圖2所示，圖2a為σ=0.059 N·m?1(純水)條件下，數值計算得到的微通道內汽液兩相呈現的流型。不難看出：沿流動方向依次出現泡狀流(汽泡呈球形)、彈狀流(汽泡呈前端橢球，中間圓柱體，尾端近扁平狀)和拉伸汽泡流(汽泡在微通道內受限，呈拉伸的柱形)3種流型。這與通過沸騰試驗得到的490μm矩形通道內觀測段的流型及汽泡形態(圖2b)一致。此外，數值模擬結果還與其他文獻中的試驗結果進行比對，結果表明：計算模型與數值方法可行，計算結果與試驗數據吻合較好。

圖2通道內沿流動方向依次出現的流型

2.2汽泡演變與流型發展

首先從汽泡在微通道的演變與流型發展的特征入手，討論不同表面張力下，矩形微通道內沿流動方向的汽液兩相分布變化的差異。圖3a給出了σ分別為0.035,0.045,0.059 N·m?1時各自的汽泡演變與流型發展的計算云圖(t=40 ms)，圖3b為汽泡脫離壁面后的3種不同的聚并現象，I,II,III分別對應于剛脫離加熱壁面的小汽泡之間的聚并、較大尺寸汽泡與壁面上尚未脫離或剛脫離的小汽泡之間的聚并、尺寸相當的汽彈或拉伸汽泡之間的聚并。

隨著脫離壁面的汽泡在通道中的成長、聚并，汽相分布呈現不同的特征，從入口至出口，3種表面張力均依次呈現泡狀流、彈狀流與拉伸汽泡流等汽液兩相流型的發展規律，圖3a中，0-1為泡狀流，1-2為彈狀流，2-3為拉伸汽泡流。經比較發現，σ=0.035 N·m?1時，通道內1-2階段持續時間最長(從距離入口7.0 mm處持續到14.5 mm)。相對而言，σ越小，彈狀流轉變為拉伸汽泡流的節點越滯后。在拉伸汽泡流階段，比較σ分別為0.035,0.059 N·m?1，單個拉伸汽泡的長度縮短近1/2；σ=0.059 N·m?1時，汽泡會發生圖3b III所示的大汽泡間聚并。可以發現：σ不同，微通道內汽泡演變和汽液兩相流型發展有所差異，σ越小，彈狀流向拉伸汽泡流的轉變相對延遲，拉伸汽泡的長度縮短近1/2，較長的拉伸汽泡充塞通道對維持汽液兩相流動的穩定性不利。

圖3微通道內沿流動方向的流型發展圖(t=40 ms)

2.3汽液兩相流動的穩定性研究

2.3.1汽液兩相的不穩定流動特征

汽液兩相流動的不穩定會導致其換熱不穩定，造成通道壁面局部換熱惡化，影響器件的安全運行。因此，研究通道內的流動沸騰建立在汽液兩相流動的基礎上，就微通道而言，汽液兩相流動的穩定性問題尤為突出。通道內汽、液相的流速分布可反映沸騰過程中兩相流動的穩定性，圖4a,c分別給出距離出口0~5 mm處微通道內的速度分布、汽相分布云圖。

圖4距微通道出口0~5mm處的速度與汽相分布云圖(σ=0.045 N·m?1,t=40 ms)

從圖4a,b可以看出：通道內液相流速為1.4~2.0 m·s?1，汽相流速為2.0~2.5 m·s?1；通道內汽相因體積膨脹推動汽液兩相流動，汽液兩相流速沿流動方向均不斷增大。從圖4a中I處的速度等值線圖(圖4b)可以看出：汽相在通道中心的流速最高，達2.5 m·s?1，中心附近的速度梯度小，而近壁區速度梯度較大，其中，最靠近壁面處汽相速度甚至低于0.5 m·s?1。

圖4中汽液兩相速度分布不均的原因：汽泡與通道尺寸在同一量級，汽泡對流動擾動增強，且隨著汽泡的急劇生長，當汽泡大小達到微通道尺寸，汽泡堵塞通道，阻礙汽液兩相的正常流動，即發生汽塞現象。汽液兩相流動不穩定現象如圖5所示。

圖5汽液兩相流動不穩定現象

小汽泡的運動在流體中形成擾動和局部漩渦現象，造成局部流速增大(圖4b虛線處流速高于2.0 m·s?1的部分)；對照圖5b，發生汽塞現象時，汽泡充滿通道，汽相在近壁區出現局部滯留，阻礙來流的流動，汽泡尾部汽液界面附近流速降低(圖4b虛線處流速突然低于1.5 m·s?1)，明顯低于汽相內部流速。汽泡運動造成的擾動、漩渦和汽塞及相應的汽液兩相速度分布不均是汽液兩相流流動不穩定的主因。

2.3.2表面張力對汽液兩相流動的影響

通道進出口汽液兩相的總體壓降Δp常作為衡量流動是否穩定的標準。σ分別為0.035,0.045,0.059 N·m?1時，通道進出口壓降Δp隨時間的變化曲線如圖6所示。20 ms之后，微通道內的汽液兩相流進入相對穩定的充分發展狀態，在20~60 ms的時間間隔內，3種表面張力對應的Δp的波動范圍分別為2.8~6.3,2.0~6.7,1.8~7.4 kPa。σ=0.035 N·m?1時，Δp波動幅度最小，與σ=0.059 N·m?1相比，Δp波幅減小約2.1 kPa。可以認為，減小表面張力σ，汽液兩相的壓降波動幅度減小，汽液兩相流的流動穩定性提高。

圖6進出口流動壓降隨時間的變化曲線