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在单通道微型蒸发器中的测量和流场可视化的两相流沸腾摘要两相流沸腾被运用在不同的应用程序，因为它的换热能力高于单相流。然而，在微尺度沸腾的流体流动和传热的基本原理结构尚未完全理解。这项工作的目的是有助于更好地在流动沸腾的水在小通道的基本物理现象的理解。这个目的实验研究的流动模式，沸腾曲线，和传热系数在单通道，一个通道微型蒸发器深度，宽度和长度为198*241*21900μm和378*471*21900μm。高速的可视化（30000fps）是同时进行传热和压力降的测量提供了定量为了更好地了解微通道蒸发器两相流动特性的实验数据，流动模式中的热通量和通量的影响，沸腾换热系数进行了研究。六种不同的流动模式进行观察和使用最常用的被接受的分类是气泡，塞，流失，环形，环形波状，和逆环状流。流动模式是紧密耦合的质量流量，热通量，和信道的大小。泡状流是主要发育在较低的热通量和进展到塞，流失，和环状流的热通量的增加。高速的可视化提供了一种手段来表征间歇流的形成和随后的重新导致压降振荡的通道的润湿，流模式的演变为反流发生的物理解释。关键词流动沸腾流动模式两相流微通道蒸发1.引言当液体蒸发，加热通道，液体和蒸气的交互的基础上的相对相位成分形成一个范围内的流动模式。特定的流动模式取决于压力，流量，热通量的条件，和通道的几何形状。因为它是极其困难的'track”的所有流的热工水力特性的不断变化（在时间和位置），到目前为止的研究主要是经验而不是分析（科利尔和汤米，1994）。分析了两相流使用的方法是基于基本方程管的质量，动量守恒，能量。在应用这些方程的困难来自于需要提供质量流量的详细信息，速度，和密度为实现可靠的结果。不幸的是，这些数据是不使用的实验技术和大多数建模方便的记录程序是基于简化的假设。所做的主要假设是均匀的，分开考虑，和流动模式模型。流动模式的模型是一个更复杂的方法，两相流的方程在各种流型的框架内解决。各种技术可用于非绝热和绝热通道中的两相流流型的研究。在更高的速度，在图形变得不明显，流场的直接观测用摄影，X线，或高速视频记录。探头也作为推流模式提供信息的一种间接方法（revellin等人，2006；休伊特，1978）。而用来确定流动模式的术语可以是主观的，传统的模式状态划分为气泡，塞，流失，环形，环形流(HarirchianandGarimella,2009b;RevellinandThome,2007;Kandlikar,2006;ChenandGarimella,2006;LeeandMudawar,2005).尽管从一个模式到另一个不同的流动模式和转换的理解存在的缺陷，人们普遍感到需要对可能发生的一组给定的局部参数的特定模式的一些想法的简单方法。一个代表不同的转换方法是在一个流动模式地图的形式。虽然，有图案的微型通道，它已得出结论表明采用或外推两相宏观到微观两相流流型图是不现实的。这是因为表面张力的影响往往是一个更重要的作用比在较大的微流道(Carey,2008)。其他原因所观察到的偏差从古典的'macro-theories的表面粗糙度和下落不明的系统误差，由于小尺寸的微通道，使一些实验参数难以测量具有足够的精度(Morini,2004)。此外，流动不稳定性在微通道中流动沸腾的几位作者不仅复杂的建模工作但流动模式也产生不稳定性的发生(WuandCheng,2004;Kandlikaretal.,2006b;Leeetal.,2010)。流型图通常表示在图，其中坐标是肤浅的相速度（JF，JG）或广义参数包含这些速度。表面相速度流型图的作用是使用限制了其应用到一个特定的情况，而更广义的参数的选择可能是最好的代表的转换。事实上，harirchian和Garimella（2010），王景荣和托姆（2011）提出的新模式的地图的基础上而不是表面的相速度的无量纲参数。这些方法不能推广到更多的特征数据成为可用。一个更好的理解的两相的流动模式，将有助于制定准确的预测的传热和压降的基本参数安全操作和优化换热器的设计。在最近几年，尽管密集的活动，在小的几何形状的传热特性仍然需要澄清。微观和宏观的'approach’的单相流之间的差异已普遍归因于事实的物理机制，可能占主导地位的微通道是不太重要的导致，反之亦然。一些出版物同意考虑入口效应，粘滞的能量耗散，壁面粗糙度，轴向热传导，和测量精度高，可导致微观和宏观理论之间的比较的结果。然而，也有研究微通道中基于实验和数值模拟的Navier－斯托克斯方程和能量方程–，表现出与宏观实验数据吻合良好。这些似乎并没有确凿的证据，为宏观理论的适用性进行分析时，微通道。不幸的是，在微通道的控制现象尚未得到很好的理解和在流动和传热速率的预测可以用信心，优质，可靠的实验数据，需要解决在文献中的差异。对于两相流的传热系数（HTC），有大量的饱和液体在流动沸腾的相关文献。大多数这些考虑两种传热机制的贡献：核态沸腾和对流沸腾。核态沸腾的特点是在形核和对流沸腾的传导和对流通过液体膜在加热和汽化的液体/蒸汽界面形成蒸汽气泡的。微通道中的流动沸腾传热机制已成为一个主题的分歧，由于在不同的实验数据，有时是相互矛盾的趋势。在一些出版物中的实验数据的趋势是具有一致的泡核沸腾的优势，并表明，宏达电是热通量和饱和压力的增加强大的功能，即基本上是独立的质量通量（G）和水汽质量（x）的报告的宝等人（2000年）。相比之下，李先生和李（2001年），表明HTC随G是X的敏感与对流沸腾环状流型观察相一致的机制。这些意见都是正确的，只是指的是两个不同的传热制度，事实上可以同时出现在相同的加热通道的不同部分。实验数据支持这些意见可以在李先生和李先生发现，bertscha等人（2001年）。（2008，2009），李和mudawar（2005），托姆（2004），和Kandlikar（2004）。在本实验中，高速的可视化覆盖范围内的蒸汽品质的同时进行传热和压力降的测量是在两个不同的微通道蒸发器进行到微通道中流动沸腾提供了重要的见解。可视化的流量模式有望成为在流型图，可以为合理的模型假设提供有价值的信息发展。同时，信道的大小的影响，热通量和质量流率对沸腾曲线和传热系数对微通道内流动沸腾的探讨。2.实验装置和程序在图1a所示系统的流态观测实验系统。稳定流动的液体微通道蒸发器是由哈佛phd2000注射器泵供给装置。该频道是在水平方向的测试并给出了其体积小，浮力驱动流沿重力矢量方向的驱动力作用在控制体积的其他力量的对比是最小的，因此可以忽略不计。表面张力，和蒸发动量的力量发挥主导作用，在微尺度（Dang等人。，2011；2010；Kandlikar，Kandlikar等人。，2006年）。四种不同的质量通量（G350，700，1000，和1300公斤/平方米）在评价实验。出口压力保持在大气压力恒定，和入口压力变化的质量和热通量。一个相关的饱和温度作为一个功能的能谱得到的usingwater蒸汽表考虑到沿通道的压降。由于进口压力允许浮动和进气温度恒定，子冷却为每个测试不同。然而，在这些实验中，平均分冷却是几乎相同的范围在50.7和54.2℃超纯水作为工作流体之间的。水被煮的实验装置，在数据收集和可能的空气或图1（a）实验测试装置，（二）微型蒸发器装配单元，以及（c）视镜剖视图。气体溶解在水中的沉降水库在开放的环境下。任何在水里可能再夹带的空气会引起气泡形成过饱和温度和可以和ONB。在大多数情况下第一个泡沫出现近饱和温度。例低于饱和温度形成第一气泡很容易被发现因为气泡形成由于被困气体不出现在同一位置向下游移动的流体的沸腾而重新在墙上形成泡沫出现在同一腔后。哈克F3循环bathwas用来维持在蒸发器的入口温度50C。液体流量的试验段相应的由注射器泵的电子显示但麦克米伦液体的微型燃气轮机的弗洛传感器测量模型104。运行任何测试前，微通道是一个温和的酸性溶液清洗，然后彻底冲洗测试液体灌装系统前，一种小型高效内联过滤器是用来去除从93%到99.99%的外来颗粒在25微评级。使用一种特殊的微量蒸发器装配单元如图1b显示了对流沸腾过程。单元包括一个与视觉的玻璃窗使流型可视化顶盖板，可互换的微量蒸发器，加热块，筒式加热器，保温。视镜是用带有205毫米厚1.2毫米的玻璃显微镜载片上并用比斯科HT-6240透明硅胶垫片（厚0.020''）密封，O形环，如图所示。1C。该微型蒸发器是从44加工1013的无氧铜毫米块。微量蒸发器包括一个单一的直道方形截面轮廓避免流量不均匀分布的多通道微型蒸发器的观察。为了评估所述信道的大小的上流动模式，两种不同的微型蒸发器与沟道长度21.9毫米，深度和宽度的198*241μm和378*471μm进行了实验评估。该微型蒸发器用这是嵌入在无氧铜加热块400瓦瓦特隆筒式加热器沿其下边界加热。提供给微型蒸发器热流是由所提供的电压，以控制筒形加热器5至130W不等，直到达到稳定状态，或当最高温度达到180°C至以免损坏硅垫圈。这个加热器块提供沿长度的几乎均匀的热输入通道。热是从沿着该发热体的加热器传导至它被传递到在微通道中的流体的微型蒸发器。单通道蒸发器和加热器块中绝缘被完全封闭，使得热量泄漏到周围环境中被最小化。聚醚醚酮称为`PEEK`用作绝缘材料和两个垫片制作与比斯科HT6135固体硅（厚度0.015''）在侧方绝缘块被用来考虑到热膨胀。此外，在绝缘块腔进行加工，以捕获空气，减少热量损失。一飞世尔科技冰点细胞RC-140被用作更精确的温度读数外部参考结。T型热电偶包埋在所述蒸发器和加热器块沿中间平面的蒸发器，以确定在五个位置的温度梯度和表面温度沿该通道的长度。T型热电偶和压力传感器px481a-060g5v欧米茄也位于入口和出口的通道来衡量当地的流体温度和压力降沿微通道。测得的温度梯度是用来计算的表面温度在通道壁的外推。供给到微通道中的热根据加热器功率（电压电流）减去热损失估计。在稳态条件下的实验数据用7700–20通道多路复用模块Keithley数据采集系统记录，并excelinx软件。同时，流动模式也使用高速数字视频摄像机记录（光子FastCAM1A）安装在一个meiji-ez-13立体显微镜。高速视频记录在128×60像素，每秒2000之间和30000帧。一些图像记录在更高的帧速率进行后处理使用MATHLAB图像处理工具来提高质量。最后，流体离开蒸发器浓缩使用螺旋管浸入HAAKEA81循环在24C和在大气压力下回到了水库。3.数据约简和不确定性分析一个能量平衡可以写为微型蒸发器的装配单元：图2由热流体去掉为378×471μm微型蒸发器atG=1373KG/M2秒（类似的相关性为198×241μm蒸发器获得）。Qtotal=Qfluid＋Qloss（1）其中，变成Qtotal的筒式加热器提供的总热量，qfluid是热流体中移除，并qloss是热损失。直接获得作为变成Qtotal＝VI总热量（V，是所施加的电压和I在加热器电流）。在加热器的电流估计通过一个校准的0.01×分流电阻I=Vshunt/R.测量电压。热的流体去除可以表示为：Qfluid=QtotalM＋b（2）M和B是斜率和截距分别的线性拟合之间的总热量和热除去流体m_CPð兜售锡Þ在微通道中单相。图。2，示出了由加热器（QTOTAL）相对于由流体（Qfluid）并通过传导通过铜加热器块（Qcond）为通道尺寸378×471μmatG=1373KG/M2秒。计算的测量温度梯度和加热块的热导率和可互换的蒸发器是由传导传热。请注意，通过传导传热的总热量非常相似，呈现出线性的行为，这表明大部分的损失是在上盖和传导。在通道尺寸378×471μm的热损失可从下面的公式获得：Qloss=Qtotale（1-m）-b（3）观察到对于其他质量通量上m和b可忽略的变化和类似的方法来估计热损失为与通道尺寸蒸发器198×241μm。计算出的是当地的两相流传热系数的微通道蒸发器：h=satwwttq（4）TW是当地的微通道壁面温度（用外推），TSAT是局部饱和温度的降低由于沿通道的压力变化的流动方向。因此，一个相关