帶矩形重入腔的直肋微通道內流動沸騰換熱特

性

目錄

一、內容概括..................................................2

1.1研究背景與意義........................................2

1.2國內外研究現狀及發展趨勢..............................3

二、理論基礎..................................................5

2.1微通道內流動沸騰換熱的物理原理.......................6

2.2帶矩形重入腔的直肋微通道結構特點.....................7

三、實驗方法與裝置...........................................8

3.1實驗材料與參數........................................9

3.2實驗過程與步驟.......................................10

3.3數據采集與處理方法...................................11

四、實驗結果與分析..........................................12

4.1不同工況下的流動沸騰換熱特性.........................13

4.2不同操作參數市流動沸騰換熱特性的影響................14

4.3矩形重入腔對流動沸騰換熱特性的影響..................15

五、優化設計與性能提升策略..................................16

5.1設計優化方案.........................................18

5.2性能提升措施.........................................19

六、結論與展望..............................................20

6.1主要研究結論.........................................21

6.2研究局限性與未來研究方向............................22

一、內容概括

引言：簡要介紹微通道流動沸騰換熱的背景和研究意義，以及帶

矩形重入腔的直肋微通道結構的設計和制it現狀。

微通道和矩形重入腔結構描述：詳細闡述微通道以及矩形重入腔

的結構特征，包括尺寸、形狀、材料等。

流動沸騰實驗設置：介紹實驗系統、實驗介質、操作條件以及數

據測量方法。

流動沸騰換熱特性分析：分析帶矩形重入腔的直肋微通道內流動

沸騰的換熱性能，包括傳熱系數、溫度分布、壓力降等參數的變化規

律。

影響因素研究：探討結構參數、操作條件等因素對流動沸騰換熱

特性的影響。

結果與討論：對實驗結果進行分析和討論，總結帶矩形重入腔的

直肋微通道內流動沸騰換熱的優勢和潛在問題。

本文還將涉及到數值模擬方法在流動沸騰換熱研究中的應用，以

及對現有文獻的綜述和分析，以更全面地了解帶矩形重入腔的直肋微

通道內流動沸騰換熱的特性和機制。

1.1研究背景與意義

隨著科技的不斷發展，對于高效、緊湊的換熱器的需求日益增加。

在這種背景下，微通道換熱器因其具有高傳熱系數、緊湊的結構和輕

量化的特點而受到了廣泛關注。在傳統微通道換熱器的應用中，面臨

著一些挑戰，如流動沸騰換熱性能不足、易結垢等問題。為了克服這

些挑戰，研究者們開始致力于研究帶矩形重入腔的直肋微通道內流動

沸騰換熱特性。

研究背景表明，流動沸騰換熱是微通道換熱器中的重要傳熱機制

之一，對微通道換熱器的性能有著重要影響。在傳統的微通道換熱器

中，由于受到幾何形狀和流體動力特性的限制，流動沸騰換熱性能往

往不能達到理想狀態。研究帶矩形重入腔的直肋微通道內流動沸騰換

熱特性，對于提高微通道換熱器的性能具有重要意義。

隨著能源危機和環保意識的不斷提高，對于高效、環保的換熱器

的需求也日益增加。帶矩形重入腔的直肋微通道內流動沸騰換熱特性

研究，可以為新型高效換熱器的設計和優化提供理論依據和技術支持,

有助于推動微通道換熱器技術的進步和發展。

1.2國內外研究現狀及發展趨勢

對于帶矩形重入腔的直肋微通道內的流動沸騰換熱特性的研究

尚處于發展階段。研究者主要關注微通道內的流體流動行為、傳熱性

能以及影響因素等方面。隨著微納制造技術的發展，微通道熱沉的應

用逐漸增多，關于微通道內流動沸騰的研究也日漸豐富。國內的研究

主要集中在理論模型建立、實驗研究和數值模擬三個方面。研究者通

過搭建實驗平臺，對微通道內的流動沸騰現象進行實驗研究，同時結

合數值模擬方法，對實驗結果進行分析和驗證。由于微尺度下的復雜

性和挑戰性，國內在該領域的研究仍面臨諸多問題和挑戰。

國外在帶矩形重入腔的直肋微通道內流動沸騰換熱特性的研究

上起步較早，研究相對成熟。研究者不僅關注基礎理論的探索，還注

重實際應用的研究。在實驗研究和數值模擬方面，國外研究者采用了

先進的實驗技術和模擬方法，對微通道內的流動沸騰現象進行了深入

的研究。國外研究者還開展了關于微通道熱沉的優化設計、材料選擇

等方面的研究，以提高微通道內的傳熱性能。國外研究者還關注微通

道內的流體動力學特性、氣泡行為以及熱質傳遞機理等方面，為帶矩

形重入腔的直肋微逋道內的流動沸騰換熱特性的研究提供了豐富的

理論支撐。

隨著微型電子器件的廣泛應用和集成甩路技術的發展，對于微型

熱管理系統的需求日益增長。帶矩形重入腔的直肋微通道作為一種高

效的熱沉結構，其流動沸騰換熱特性的研究將越來越受到關注。國內

外研究者將繼續深入研究微通道內的流動沸騰現象，揭示其傳熱機理

和影響因素。隨著先進制造技術的發展，微通道熱沉的制造精度和性

能將不斷提高，為實際應用提供更強的技術支撐。研究者還將關注微

通道內的流體動力學特性、氣泡行為以及熱質傳遞過程的優化，以提

高微通道熱沉的傳熱性能和使用壽命。

帶矩形重入腔的直肋微通道內流動沸騰換熱特性的研究具有重

要意義，國內外研究者正在積極開展相關研究，并隨著技術的發展和

需求的增長，該領域的研究將越來越深入和廣泛。

二、理論基礎

在本研究中，我們采用計算流體動力學（CFD）方法對帶矩形重

入腔的直肋微通道內的流動沸騰換熱特性進行研究。我們需要了解微

通道內流體流動的基本方程，即連續性方程、動量方程和能量方程。

連續性方程：表示微通道內流體質量的守恒。對于不可壓縮流體,

連續性方程可表示為：

u是速度變化，A是微通道橫截面積，Qc是單位時間內流過微

通道的流體質量。

動量方程：描述流體在微通道內的動量守恒。對于不可壓縮流體,

動量方程可表示為:

P是微通道內的壓力降，f是流體密度，U是流體速度，U是速

度梯度。

能量方程：表示微通道內流體能量的守恒。對于可壓縮流體，能

量方程可表示為：

k是流體動力粘度，L是微通道長度，a是微通道寬度，是流體

動力粘度。

為了研究沸騰換熱過程，我們需要引入沸騰換熱系數(Nu),它

是衡量微通道內沸騰換熱性能的重要參數。沸騰換熱系數可以通過實

驗或數值模擬方法獲得，在本研究中，我們將使用實驗數據來驗證所

建立模型的準確性。

在本研究中，我們將運用CFD方法對帶矩形重入腔的直肋微通道

內的流動沸騰換熱特性進行深入研究，為優化微通道換熱器提供理論

依據。

2.1微通道內流動沸騰換熱的物理原理

在微通道內，由于通道尺寸遠小于分子自由程，因此流體的行為

表現出明顯的慣性效應和熱邊界層的影響。當流體在微通道中受到外

部加熱時，會在通道內部形成一層薄薄的熱邊界層。這層熱邊界層的

厚度通常在幾十到幾百微米之間，取決于加熱功率、流體溫度以及微

通道的具體幾何形狀。

在熱邊界層內，流體的溫度沿著垂直于通道壁面的方向逐漸升高。

當流體的溫度達到其飽和蒸汽壓時，流體開始蒸發并形成蒸汽泡。這

些蒸汽泡在微通道內部迅速生長和聚結，最終可能導致通道內流動結

構的破壞，即所謂的沸騰現象。

微通道內流動沸騰換熱的物理原理涉及多個復雜的過程，包括流

體的對流、傳熱、相變等。為了更深入地理解這些過程，研究者們通

常會采用實驗測量、數值模擬和理論分析等方法。通過這些方法，可

以揭示微通道內流動沸騰換熱的定量關系和機理，為微流控、熱交換

和能源轉換等領域提供重要的理論支持和技術指導。

2.2帶矩形重入腔的直肋微通道結構特點

矩形重入腔設計：在微通道的入口處設置了一個矩形重入腔，用

于引導氣流進入微通道。矩形重入腔的長度和寬度可根據實際需要進

行設計，以滿足不同工況下的需求。

直肋結構：在微通道內部設置有直肋，直肋的高度和間距可根據

需要進行調整。直肋的主要作用是增加流體的擾動，從而提高沸騰換

熱的效率。

緊湊布局：帶矩形重入腔的直肋微通道采用緊湊的布局方式，使

得整個通道的尺寸較小，有利于減小設備的體積和成本。

流體阻力小：由于直肋的存在，微通道內的流體在流動過程中受

到較小的阻力，有利于提高設備的運行效率。

易于制造和安裝：帶矩形重入腔的直肋微通道的結構簡單，易于

制造和安裝，降低了生產成本和提高設備的可靠性。

帶矩形重入腔的直肋微通道結構具有多種優點，如緊湊布局、流

體阻力小、易于制造和安裝等，使其在微通道沸騰換熱領域具有廣泛

的應用前景。

三、實驗方法與裝置

實驗段設計：本實驗在長方形通道內布置了若干根帶有矩形重入

腔的直肋作為換熱元件。矩形重入腔的尺寸為20mmi0mm,高度與通

道高度相等。實驗段總長度為200nnn,寬度和高度分別為20mm和lOmm。

微觀結構參數確定：通過數值模擬方法對不同肋片間距、肋片高

度和液體流量等參數下的沸騰換熱性能進行模擬分析，優化出具有較

高換熱性能的參數組合。實驗中采用的肋片間距為5mm,肋片高度為

3mm,液體流量為Lmino

實驗系統搭建：實驗系統主要由供液系統、實驗段、數據采集與

處理系統組成。供液系統采用蠕動泵，以實現液體在實驗段內的穩定

流動；實驗段采用夾具固定，確保在實驗過程中不受外界力的影響；

數據采集與處理系統包括溫度傳感器、壓力傳感器和流量計，用于實

時監測實驗過程中的溫度、壓力和流量變化，并將數據傳輸至計算機

進行處理和分析。

實驗過程控制：為保證實驗結果的準確性和可靠性，實驗過程中

需對供液速度、實驗段溫度和壓力等進行精確控制。為避免實驗過程

中出現不穩定性，實驗過程中需保持恒溫環境，以減小環境溫度對實

驗結果的影響。

3.1實驗材料與參數

在本實驗中，我們選用了具有高熱傳導性能的材料來制備微通道

管。實驗中所使用的微通道管材料為銅，其具有良好的導熱性和加工

性能。為了確保實驗結果的準確性和可重復性，我們在實驗過程中還

采用了高精度的測量設備，如溫度傳感器和壓力傳感器等。

微通道管內徑：根據實驗需求而定，本實驗中采用的微通道管內

徑為200m。

帶矩形重入腔的直肋高度：本實驗中采用的帶矩形重入腔的直肋

高度為5mmo

帶矩形重入腔的直肋間距：本實驗中采用的帶矩形重入腔的直肋

間距為lOmmo

氣體流量：通過調節閥門開度來控制氣體的流速，本實驗中采用

的氣體流量為Lmino

3.2實驗過程與步驟

根據實驗要求，設計并加工了帶有矩形重入腔的直肋微通道。該

通道具有特定的尺寸和結構，以便進行后續的實驗研究。

選用合適的工質，如水或制冷劑，作為實驗介質。確保工質在實

驗過程中的溫度、壓力和流量等參數易于控制。

在實驗過程中，首先對微通道進行預熱，使其達到實驗所需的初

始溫度。通過精確控制工質的流量、入口溫度和壓力等參數，實現微

通道內流動沸騰換熱的實驗條件。

使用高精度測量設備，實時監測微通道內工質的溫度、壓力、流

量等關鍵參數。這些數據將用于后續的數據分析和處理。

在實驗過程中，觀察并記錄微通道內的沸騰換熱現象，如沸騰起

始點、沸騰面積、傳熱系數等V這些現象對于理解流動沸騰換熱的機

理具有重要意義。

根據實驗結果，分析并討論矩形重入腔對直肋微通道內流動沸騰

換熱特性的影響。通過對比不同工況下的實驗數據，揭示其規律和特

點。

根據實驗結果和討論，提出改善微通道內流動沸騰換熱性能的建

議和措施。這將為實際應用中的微通道換熱器設計和優化提供理論依

據。

3.3數據采集與處理方法

溫度數據采集：使用高精度溫度傳感器，對微通道內流體的溫度

進行實時監測和記錄。傳感器被放置在關鍵位置，包括入口、出口、

以及沿通道的不同高度和肋片間的位置。

流量測量：通過精確的流量計來監測流體的流量，確保流量的穩

定性。我們還對流體在重入腔內的流動模式進行了觀察和記錄。

壓力數據收集：使用壓力傳感器來記錄微通道內的壓力變化，特

別是在流動沸騰過程中的壓力波動。

所有采集到的數據都經過嚴格的處理以確保其準確性和可靠性。

處理過程包括以下步驟：

換熱性能參數計算：根據實驗測得的溫度、流量、熱負荷等數據,

計算相應的傳熱系數和換熱性能參數，例如熱傳導系數、傳熱效率等V

數據對比與分析：將實驗數據與理論模型或先前研究的數據進行

對比分析，以驗證模型的準確性和適用性。同時分析不同條件下的數

據差異，探討矩形重入腔和直肋結構對流動沸騰換熱特性的影響。

數據可視化處埋：將處埋后的數據進行可視化處埋，如繪制圖表

等，以便更直觀地展示實驗結果和分析結果。

四、實驗結果與分析

為了深入研究帶矩形重入腔的直肋微通道內流動沸騰換熱特性,

本研究進行了一系列實驗。我們改變實驗條件如工作壓力、加熱功率

和熱流密度等，以觀察和分析不同條件下微通道內的沸騰換熱表現。

實驗結果表明，在所研究的參數范圍內，隨著工作壓力的增加，

沸騰換熱系數先升高后降低，而在高壓力區域，變化趨于平緩。加熱

功率的增加也會使沸騰換熱系數增大，但增長速度逐漸減慢。而熱流

密度的提高對沸騰換熱系數的影響相對較小。

在實驗過程中，我們還發現帶矩形重入腔的直肋微通道內流動沸

騰換熱具有較高的換熱性能。這主要得益于矩形重入腔的設計，使得

微通道內流體在高溫高壓條件下能夠形成強烈的擾動和充分的對流

交換，從而提高換熱效率。

通過對實驗數據的詳細分析，我們進一步揭示了帶矩形重入腔的

直肋微通道內流動沸騰換熱的機理U沸騰換熱主要依賴于微通道內液

體的受迫對流和汽化核心的形成與脫離。在高溫高壓條件下，液體分

子獲得足夠的能量發生汽化，形成汽化核心并脫離壁面，實現高效的

熱量傳遞。

本實驗研究了帶矩形重入腔的直肋微逋道內流動沸騰換熱特性，

并通過實驗結果與分析揭示了其換熱機理。研究結果為微通道換熱器

的設計和優化提供了重要的理論依據和實驗數據支撐。

4.1不同工況下的流動沸騰換熱特性

入口速度分布對流動沸騰換熱特性有很大影響，當入口速度分布

較均勻時，流體在通道內的停留時間較長，有利于充分發展湍流，從

而提高換熱效率。當入口速度分布不均勻時，可能會導致部分區域的

湍流發展不足，換熱效率降低。

流體性質包括物性參數（如密度、比熱容、粘度等）和物性結構（如

流態、對流系數等）。這些參數會影響流體在通道內的流動狀態和傳

熱性能，密度較大的流體在通道內的運動受阻較大，可能需要較高的

入口速度才能保持充分發展的湍流；而對流系數較大的流體則容易形

成強烈的對流傳熱。

通道幾何形狀包括尺寸、壁面粗糙度、通道長度等。這些參數會

影響流體在通道內的流動阻力和傳熱面積，較長的通道可以增加流體

的停留時間，有利于湍流的發展；而較窄的通道則會增加流體的流動

阻力，降低換熱效率。壁面粗糙度也會影響流體的黏附和摩擦力，從

而影響換熱性能。

流動方式包括單相流和多相流，單相流是指流體中只包含一種物

質成分，如水蒸氣與空氣的混合物。多相流是指流體中包含兩種或更

多種物質成分，如水蒸氣與空氣的混合物中的水滴。多相流的流動特

性與單相流有很大差異，需要采用特殊的分析方法進行研究。

4.2不同操作參數對流動沸騰換熱特性的影響

在研究帶矩形重入腔的直肋微通道內流動沸騰換熱特性的過程

中，操作參數的變化對流動沸騰換熱特性產生顯著影響。本節主要探

討不同操作參數，如流量、熱流密度、蒸汽壓力以及溶液濃度等，對

流動沸騰換熱特性的具體影響。

流量影響：流量是流動沸騰過程中的重要參數之一。隨著流量的

增加，工質在微通道內的流速加快，增強了工質與傳熱壁面的熱交換

能力。流量的增加導致單位時間內進入重入腔的氣泡數量增多，提高

了汽液相變過程中的熱轉移效率。

熱流密度影響：熱流密度的變化直接影響傳熱過程的速率和方向。

在較高的熱流密度下，微通道壁面的溫度上升較快，促使更多的熱量

從壁面傳遞到工質中，加速沸騰過程。但過高的熱流密度可能導致局

部熱應力增大，甚至引發熱疲勞問題U

蒸汽壓力影響：蒸汽壓力的變化直接關系到汽液相平衡狀態。隨

著蒸汽壓力的增加，液體沸點升高，影響沸騰過程的起始和持續條件。

在較高蒸汽壓力下，工質的汽化潛熱增加，對流動沸騰的換熱性能產

生影響。

溶液濃度影響：當工作介質為溶液時?，溶液濃度是一個重要參數。

隨著溶液濃度的增加，其物理性質如表面張力、粘度等發生變化，這

會影響到流動和傳熱特性。濃度較高的溶液往往具有更好的導熱性能,

但同時溶液的沸點也可能隨濃度的升高而變化。溶液中溶質的種類和

性質也會對流動沸騰的換熱特性產生影響。

不同操作參數的變化對帶矩形重入腔的直肋微通道內流動沸騰

換熱特性具有重要影響。在實際應用中，需要根據具體的工況和操作

需求，對這些參數進行優化和控制，以實現最佳的傳熱效果。

4.3矩形重入腔對流動沸騰換熱特性的影響

在矩形重入腔中，流體的流動沸騰換熱特性受到多種因素的影響。

矩形重入腔的入口形狀和尺寸對流動沸騰換熱系數有顯著影響。當入

口寬度增加時，流體在腔內的慣性作用減弱，從而降低了流動沸騰換

熱系數。入口角度的變化也會影響流體的流動狀態，進而影響沸騰換

熱效果。

矩形重入腔內部流體的流動狀態對其沸騰換熱特性也有重要影

響。當流體在腔內充分發展時，流動沸騰換熱系數較高。當流體在腔

內存在死水區或渦流時，流動沸騰換熱系數會降低。在設計矩形重入

腔時，需要合理布置流道，以促進流體的充分發展，提高流動沸騰換

熱效率。

矩形重入腔的溫度場分布對其沸騰換熱特性也有影響，在高溫區

域，流體的蒸發和冷凝相互作用強烈，從而提高沸騰換熱系數。在低

溫區域，流體的蒸發和冷凝作用較弱，導致沸騰換熱系數降低。在設

計矩形重入腔時，需要合理布置溫度傳感器和加熱器等設備，以控制

腔內的溫度場分布，提高沸騰換熱效率。

矩形重入腔的結構參數、內部流體的流動狀態以及溫度場分布等

因素都會影響流動沸騰換熱特性。在實際應用中，需要根據具體需求

和條件，綜合考慮這些因素，以優化矩形重入腔的設計，提高流動沸

騰換熱效率。

五、優化設計與性能提升策略

優化結構設計：通過改變直肋微通道的幾何形狀、尺寸和間距，

以及重入腔的形狀和尺寸，可以有效地影響流體在微通道內的流動狀

態和傳熱效果。增加直肋的數量和高度可以提高流體的湍流程度，從

而增強傳熱效果；調整重入腔的形狀和尺寸可以改變流體的速度分布,

進而影響傳熱系數。

采用合適的流動方式：根據實際工況和需求，選擇合適的流動方

式（如層流、湍流或混合流）對于提高換熱效率至關重要。在湍流條件

下，流體的傳熱系數會顯著增加，但同時也會增加阻力損失；而在層

流條件下，流體的傳熱系數較低，但壓力降較小。需要在保證換熱效

果的前提下，綜合考慮流體的動力性能和壓降。

優化材料選擇：選用合適的材料對于提高換熱器的性能具有重要

意義。金屬基材具有良好的導熱性能和力學性能，適用于高溫高壓環

境；非金屬材料（如陶瓷、石墨等）具有較高的抗腐蝕性和耐磨性，適

用于化學腐蝕介質或高速流體環境。還可以采用復合材料，將不同材

料的優良性能相結合，以滿足特定的工況要求。

提高制造工藝水平：通過改進加工工藝和裝備，可以降低換熱器

的制造成本，提高其性能和可靠性。例如。

引入先進控制技術：通過應用現代控制理論和方法（如模糊控制、

神經網絡、自適應控制等），可以實現對換熱器運行過程的精確控制和

優化調度。利用模糊控制可以根據實際工況自動調整進出口溫度、流

量等參數，以達到最佳的換熱效果；利用神經網絡可以預測換熱器在

不同工況下的性能表現，為優化設計提供依據。

5.1設計優化方案

深度與寬度調整：根據實驗數據和模擬結果，對矩形重入腔的深

度和寬度進行合理調整，以優化流體流動路徑和熱量傳遞效率。

入口設計優化：改進入口設計，使得流體在進入重入腔時能夠形

成更好的流動分布，減少流動死區，增強換熱性能。

考慮到直肋在提高傳熱表面強度和引導流體流動方向方面的作

用，進行以下優化措施：

肋片形狀改進：嘗試不同的肋片形狀（如V型、U型等），以找

到最佳的傳熱效果和壓力損失之間的平衡。

肋片間距調整：通過調整肋片間距，優化流體在通道內的流動狀

態，提高流體與傳熱表面的接觸效率。

通道尺寸精細化設計：根據實際應用場景和流體特性，精細化設

計微通道的尺寸，確保通道內的流體能夠保持穩定流動并實現高效傳

熱。

通道布局創新：通過引入新型的微通道布局結構，如分叉式、交

叉式等，改變流體的流動路徑和流動狀態，以提高熱量傳遞效率。

在設計優化過程中，結合實驗驗證和數值模擬方法，不斷驗證和

優化設計方案，確保設計的有效性、可行性和經濟性。

為了實時監控和調整微通道內的流動沸騰狀態，建議引入智能控

制系統，通過實時數據采集和處理，對微通道內的流體溫度、流速等

參數進行動態調整，以實現最優的換熱效果。

5.2性能提升措施

根據實驗需求，我們選擇了具有高熱導率和耐腐蝕性的材料，如

銅、鋁等。還對所選材料進行了特殊的表面處理，如陽極氧化、鍍層

等，以提高其表面硬度和抗腐蝕能力，從而提高微通道內沸騰換熱的

性能。

在保持帶矩形重入腔的直肋微通道的基本結構基礎上，通過調整

肋片間距、高度和形狀等參數，以優化微逋道內的流動狀態和傳熱性

能。實驗結果表明，當肋片間距減小，高度增加時，微通道內的沸騰

換熱性能得到顯著提高。

為了實現更高效的沸騰換熱，本研究采用了氣液兩相流控制技術,

如節流閥、氣液泵等設備，以調節氣液兩相流的流量和速度，從而優

化微通道內的沸騰換熱效果。

在微通道內流動沸騰換熱過程中，外部熱源供給對提高換熱性能

具有重要意義。本研究通過采用電加熱、熱管等外部熱源供給方式，

為微通道提供穩定的熱量輸入，從而提高沸騰換熱的性能。

為了提高微通道內沸騰換熱的穩定性，本研究設計了膨脹水箱，

用于調節微通道內的壓力和液位。通過合理設置膨脹水箱的工作壓力

和液位，可以有效地避免微通道內液位波動過大導致的沸騰換熱性能

下降。

六、結論與展望

在本研究中，我們通過數值模擬和實驗驗證了帶矩形重入腔的直

肋微通道內流動沸騰換熱特性。我們分析了流體在直肋微通道內的流

動狀態，包括層流、紊流