超聲場下微細(xì)通道內(nèi)R141b流動(dòng)沸騰壓降特性研究

羅小平 劉 倩 喻 葭 廖政標(biāo)

(華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 廣州 510640)

0 引言

隨著微電子機(jī)械的迅速發(fā)展，微細(xì)通道換熱器以其結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧、高效等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于航空航天、現(xiàn)代醫(yī)療、能源與環(huán)境等領(lǐng)域[1-2]，在農(nóng)產(chǎn)品干燥、農(nóng)業(yè)電子設(shè)備冷卻等方面也有應(yīng)用，如用于太陽能電池冷卻[3]和熱泵空調(diào)[4]等。微細(xì)通道換熱器存在尺度效應(yīng)、表面效應(yīng)等問題，換熱器尺寸的微小化使系統(tǒng)的阻力增大、壓降增大、能耗增加，最終導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性降低[5-6]。超聲波在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[7-9]，作為一種有源強(qiáng)化技術(shù)，超聲波強(qiáng)化傳熱具有操作簡單、可控性強(qiáng)等特點(diǎn)[10]。超聲波在液體中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生聲空化、聲流效應(yīng)和熱效應(yīng)[11]，可進(jìn)一步提高設(shè)備的換熱性能，因此將超聲波作用于微細(xì)通道換熱器可以改善其傳熱性能。

目前，國內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了有關(guān)流動(dòng)沸騰壓降特性的研究，一些學(xué)者進(jìn)一步就超聲波對沸騰傳熱和壓降的影響進(jìn)行了研究[12-15]。BARTOLI等[16]通過改變工質(zhì)過冷度、超聲波功率等參數(shù)研究了超聲波對過冷沸騰的影響，發(fā)現(xiàn)超聲波可使傳熱系數(shù)最大增加57%。李長達(dá)等[17]以去離子水為工質(zhì)研究了超聲波對池沸騰換熱的影響，發(fā)現(xiàn)超聲功率越大、作用距離越短，沸騰傳熱強(qiáng)化效果越好。段希利等[18]研究了超聲波作用下?lián)Q熱器的壓降特性，發(fā)現(xiàn)超聲波功率越大，換熱器的壓降越小，50 W和100 W超聲相比無超聲作用時(shí)壓降分別降低了20%和30%。AMIRI等[19-20]研究發(fā)現(xiàn)，超聲振動(dòng)對圓管湍流的強(qiáng)化傳熱效果較差，隨著雷諾數(shù)和進(jìn)口溫度增大，超聲波對壓降和傳熱強(qiáng)化的影響減弱；隨后以不同濃度納米流體為介質(zhì)，通過改變超聲波功率、工質(zhì)流速等工況，探究超聲波對換熱器傳熱及壓降特性的影響，發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)能降低納米流體對壓降的負(fù)面影響，在低雷諾數(shù)條件下對壓降的影響更顯著。以上研究主要關(guān)注超聲波對過冷沸騰、池沸騰傳熱性能及常規(guī)尺度換熱器傳熱及壓降特性的影響，而關(guān)于超聲波對微細(xì)尺度換熱器流動(dòng)沸騰壓降特性影響的研究較少。傳熱特性和壓降特性是換熱器設(shè)計(jì)中的兩個(gè)重要因素，其中壓降特性直接影響設(shè)備的安全性能，且微細(xì)通道流動(dòng)沸騰的壓降特性更為復(fù)雜。本文以制冷劑R141b為實(shí)驗(yàn)工質(zhì)，在截面尺寸為2 mm×2 mm的矩形微細(xì)通道內(nèi)進(jìn)行流動(dòng)沸騰實(shí)驗(yàn)，研究超聲波作用下微細(xì)通道內(nèi)R141b的流動(dòng)沸騰壓降特性，以期為超聲波在微通道換熱器中的運(yùn)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，包括外部注液裝置、回路系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)段以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4部分。外部注液裝置主要由儲(chǔ)液罐、液位計(jì)組成；實(shí)驗(yàn)工質(zhì)由不銹鋼磁力泵驅(qū)動(dòng)進(jìn)入回路系統(tǒng)，經(jīng)節(jié)流閥分為兩條支路：一部分工質(zhì)通過主回路系統(tǒng)依次流經(jīng)渦輪流量計(jì)、預(yù)熱水箱、實(shí)驗(yàn)段、冷卻水箱后流回儲(chǔ)液罐；另一部分經(jīng)過旁路調(diào)節(jié)閥直接回到儲(chǔ)液罐；主旁路調(diào)節(jié)閥共同作用控制實(shí)驗(yàn)工質(zhì)的流量，過濾器可以防止雜質(zhì)堵塞槽道。渦輪流量計(jì)用于測量實(shí)驗(yàn)段入口的工質(zhì)流量，預(yù)熱水箱可通過恒溫控制儀調(diào)節(jié)使進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段的工質(zhì)溫度達(dá)到設(shè)定值。

實(shí)驗(yàn)段主要由底座、加熱板、換能器組件、微細(xì)通道熱沉、密封墊圈、可視化玻璃和聚四氟乙烯蓋板裝配而成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。底座上設(shè)有測溫孔及測壓孔，換能器組件由超聲波換能器和振動(dòng)板連接而成，安裝于實(shí)驗(yàn)段進(jìn)口。微細(xì)通道熱沉總長L為220 mm，總寬W為100 mm，總高H為15 mm，包含14條矩形截面細(xì)通道，單條通道寬度Wch為2 mm，高度Hch為2 mm，通道間距Ww為5 mm，單條微細(xì)通道截面簡圖如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)通過安捷倫34970A數(shù)據(jù)采集模塊對所測量的溫度和壓力信號進(jìn)行采集，并將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號傳輸至工控機(jī)。此外，實(shí)驗(yàn)設(shè)備還包括1臺高速攝影儀，用于拍攝和記錄微細(xì)通道內(nèi)實(shí)驗(yàn)工質(zhì)流動(dòng)沸騰情況以進(jìn)行可視化分析。

1.2 熱平衡分析

為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有效，避免熱損失過大對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生干擾，在實(shí)驗(yàn)開始前進(jìn)行熱平衡分析。文獻(xiàn)[21-22]在流動(dòng)沸騰實(shí)驗(yàn)之前采用單相強(qiáng)制對流的方式評估實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的熱損失狀況，本實(shí)驗(yàn)采用同樣方法。監(jiān)測實(shí)驗(yàn)段進(jìn)出口工質(zhì)溫度和壓力，確保工質(zhì)在微細(xì)通道內(nèi)進(jìn)行單相流動(dòng)，單相流動(dòng)穩(wěn)定后采集數(shù)據(jù)，保持質(zhì)量流率和進(jìn)口溫度不變，改變加熱功率重復(fù)實(shí)驗(yàn)，熱效率φ計(jì)算式為

(1)

式中Qtot——加熱板實(shí)際總傳熱量，W

M——實(shí)驗(yàn)段進(jìn)口質(zhì)量流量，kg/s

cp,l——R141b的液相定壓比熱容，kJ/(kg·K)

Tout——微細(xì)通道出口溫度，℃

Tin——微細(xì)通道進(jìn)口溫度，℃

熱平衡實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，熱效率φ在80.46%～89.56%之間，計(jì)算得本實(shí)驗(yàn)平均熱效率為85.16%。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備外層的隔熱棉起到保溫作用，熱損失量趨于恒定，熱效率隨熱流密度增大而增大，而在兩相流動(dòng)沸騰實(shí)驗(yàn)中，設(shè)熱流密度q為10～24 kW/m2，大于單相熱平衡實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的最大熱流密度，故認(rèn)為該熱效率可用于計(jì)算熱流密度。實(shí)驗(yàn)中超聲波功率為12.5～50 W，頻率為23～40 kHz，不考慮換能器對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的熱量輸入。

%

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

2.1 質(zhì)量流率

根據(jù)工質(zhì)在實(shí)驗(yàn)段進(jìn)口的體積流量V計(jì)算單條微細(xì)通道的質(zhì)量流率G，計(jì)算式為

(2)

式中ρl——實(shí)驗(yàn)工質(zhì)液相密度，kg/m3

V——微細(xì)通道進(jìn)口的體積流量，L/h

Nch——微細(xì)通道熱沉中通道總數(shù)

2.2 熱流密度

實(shí)驗(yàn)過程中不可避免地存在熱損失，利用熱平衡實(shí)驗(yàn)得到的熱效率計(jì)算熱流密度qeff，計(jì)算式為

(3)

式中S——加熱板面積，m2

2.3 兩相段長度

實(shí)驗(yàn)中微細(xì)通道豎直放置，流動(dòng)沸騰過程中，通道入口的工質(zhì)有一定的過冷度，流經(jīng)微細(xì)通道不斷吸收熱量，通道出口時(shí)工質(zhì)呈氣液兩相，以干度χe=0的點(diǎn)為界可將微細(xì)通道內(nèi)工質(zhì)的流動(dòng)沸騰分為兩部分：上游單相液體對流傳熱區(qū)、下游氣液兩相流動(dòng)沸騰區(qū)，如圖5所示。單相段長度Lsp、兩相段長度Ltp可根據(jù)熱量平衡計(jì)算[23]，計(jì)算式為

(4)

Ltp=L-Lsp

(5)

式中Tsat——實(shí)驗(yàn)工質(zhì)飽和溫度，℃

2.4 總壓降及兩相摩擦壓降

實(shí)驗(yàn)段總壓降Δptot包括進(jìn)口突縮壓降Δpc、單相流動(dòng)壓降Δpsp、兩相流動(dòng)壓降Δptp和出口突擴(kuò)壓降Δpe，計(jì)算式為

Δptot=pin-pout=Δpc+Δpsp+Δptp+Δpe

(6)

式中pin——實(shí)驗(yàn)段進(jìn)口壓力，kPa

pout——實(shí)驗(yàn)段出口壓力，kPa

進(jìn)口突縮壓降Δpc和出口突擴(kuò)壓降Δpe計(jì)算式為[24]

(7)

(8)

其中

σc=σe

式中σc——截面突縮面積比

σe——截面突擴(kuò)面積比

ρg——工質(zhì)氣相密度，kg/m3

χe,in、χe,out——工質(zhì)進(jìn)、出口熱力平衡干度

Cc——收縮系數(shù)

微細(xì)通道單相流動(dòng)壓降Δpsp包括單相流動(dòng)摩擦壓降Δpsp,f和單相流動(dòng)重力壓降Δpsp,g，計(jì)算式為[25]

(9)

式中Dh——單條微細(xì)通道水力直徑

fsp——單相摩擦因數(shù)

g——重力加速度，m/s2

微細(xì)通道兩相流動(dòng)壓力損失Δptp包括兩相重力壓降Δptp,g、兩相加速壓降Δptp,a和兩相摩擦壓降損失Δptp,f，Δptp,g和Δptp,a計(jì)算式為[23]

(10)

(11)

式中αout——微細(xì)通道出口空泡率[26]

綜上可得微細(xì)通道兩相摩擦壓降Δptp,f為

Δptp,f=Δptot-Δpsp,f-Δpsp,g-Δptp,g-Δptp,a-Δpc-Δpe

(12)

(13)

2.5 實(shí)驗(yàn)誤差分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不可避免地存在一定誤差，本實(shí)驗(yàn)誤差主要來源是讀數(shù)誤差、外部環(huán)境誤差以及儀器測量誤差。多次測量數(shù)據(jù)取平均值可減小讀數(shù)誤差，利用熱效率φ求取熱流密度qeff可減小外部環(huán)境誤差對實(shí)驗(yàn)的影響。儀器測量誤差包括直接測量誤差和間接測量誤差，直接測量誤差可以根據(jù)儀器屬性及實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)求得，間接測量誤差可由誤差傳遞公式計(jì)算[27]，即

(14)

式中 ΔR——間接參數(shù)R的不確定度

Ji——與間接參數(shù)R相關(guān)的獨(dú)立變量

ΔJi——獨(dú)立變量Ji的不確定度

主要參數(shù)不確定度如表1所示。

表1 主要參數(shù)的不確定度

Tab.1 Uncertainties of main physical parameters

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 有無超聲情況下沿程壓力特性對比

為獲得微細(xì)通道沿程壓力的變化規(guī)律，在距微細(xì)通道入口44、88、132、176 mm處設(shè)置了4處測壓孔(測點(diǎn)1～4)，設(shè)置系統(tǒng)壓力為152 kPa，工質(zhì)入口溫度為35℃，以液態(tài)進(jìn)入微細(xì)通道，研究不同工況下的沿程壓力特性。圖6為不同熱流密度和質(zhì)量流率條件下微細(xì)通道沿程測點(diǎn)壓力分布情況。由圖6可知，進(jìn)出口總壓降隨著熱流密度和質(zhì)量流率的增大而增大，各工況下的出口壓力均近似于152 kPa，說明工質(zhì)在出口位置均達(dá)到了飽和沸騰狀態(tài)；圖6a中，熱流密度為10.01、15.51、21.62 kW/m2時(shí)沿程壓力曲線分別在測點(diǎn)3、測點(diǎn)2及測點(diǎn)1發(fā)生轉(zhuǎn)折，由式(4)計(jì)算3種熱流密度條件下單相段長度分別為131.5、84.8、60.9 mm，說明隨著熱流密度增大單相段長度減小，兩相段長度增大，工質(zhì)在兩相段流動(dòng)時(shí)，從壁面脫離的汽泡增加，凝縮的汽泡數(shù)量減少，通道內(nèi)的流型可能發(fā)生變化，故而壓力曲線發(fā)生轉(zhuǎn)折，熱流密度越大，流型轉(zhuǎn)換的位置更靠近入口。圖6b中3條曲線也存在明顯轉(zhuǎn)折，計(jì)算得59.32、88.98、118.64 kg/(m2·s)3種質(zhì)量流率下單相段長度分別為78.1、117.2、156.3 mm，說明質(zhì)量流率增大使得單相段長度增大，兩相段長度減小，兩相段內(nèi)流型的轉(zhuǎn)換也推遲。不同工況下單相段及兩相段長度如圖7所示。

在有無超聲條件下在微細(xì)通道中開展流動(dòng)沸騰實(shí)驗(yàn)，超聲波頻率f=40 kHz、功率Pw=50 W。圖8為有無超聲作用下微細(xì)通道沿程測點(diǎn)壓力分布情況。超聲作用時(shí)的進(jìn)口壓力略微小于無超聲時(shí)的進(jìn)口壓力，出口壓力相同，表明施加超聲波使得總壓降減小；2種情況下曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)位置相同，通道內(nèi)流型轉(zhuǎn)變可能發(fā)生在測點(diǎn)2和測點(diǎn)3之間，說明超聲波對氣液兩相段長度影響不大，且轉(zhuǎn)折點(diǎn)之前沿程測點(diǎn)壓力分布曲線的斜率相差不大，表明超聲波在單相段對壓降的影響不顯著，主要是影響兩相段壓降。

3.2 有無超聲情況下微細(xì)通道壓降對比

本實(shí)驗(yàn)微細(xì)通道總壓降主要包括摩擦壓降Δpf、重力壓降Δpg、進(jìn)出口突縮突擴(kuò)壓降Δpc+Δpe、兩相加速度壓降Δpa，其中摩擦壓降由單相摩擦壓降與兩相摩擦壓降構(gòu)成，重力壓降由單相及兩相重力壓降構(gòu)成。為探究超聲波對各壓降分量的影響，分別在有無超聲作用方式下以制冷劑R141b為工質(zhì)在微細(xì)通道內(nèi)進(jìn)行流動(dòng)沸騰實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中超聲波頻率f為40 kHz，功率Pw為50 W，熱流密度為15.51～21.62 kW/m2。由圖9可知，有無超聲兩種情況下微細(xì)通道內(nèi)各壓降分量均以摩擦壓降所占比例最大，為60.27%～76.07%，隨后依次為重力壓降、加速度壓降和進(jìn)出口突縮突擴(kuò)壓降。相比于無超聲作用，超聲作用通道內(nèi)的摩擦壓降減小約8.76%。微細(xì)通道內(nèi)兩相摩擦壓降是影響流動(dòng)沸騰總壓降的主要原因，現(xiàn)就各參數(shù)對單位長度兩相摩擦壓降的影響進(jìn)行分析。

圖10表明隨熱流密度、質(zhì)量流率增大，有無超聲作用下微細(xì)通道內(nèi)單位長度兩相摩擦壓降呈現(xiàn)增長趨勢。熱流密度的增大會(huì)使得通道內(nèi)含氣率增大，汽泡運(yùn)動(dòng)速度增大，兩相摩擦作用加劇，因此單位長度兩相摩擦壓降呈現(xiàn)增大趨勢。質(zhì)量流率增大使得流體與通道壁面相對速度越大，兩相摩擦壓降也越大，兩相段長度變短，單位長度兩相摩擦壓降增大。在同一工況下，超聲作用下單位長度兩相摩擦壓降較無超聲作用時(shí)小。

如圖10a所示，質(zhì)量流率為118.64 kg/(m2·s)，熱流密度為17.03 kW/m2時(shí)，施加超聲波使得單位長度兩相摩擦壓降降低12.7%。超聲波通過空化作用及聲流效應(yīng)影響沸騰傳熱，其中空化為微觀作用，聲流屬于宏觀作用[28]。空化作用會(huì)引起湍動(dòng)效應(yīng)和微擾效應(yīng)，促使加熱面附近產(chǎn)生空化汽泡。聲流效應(yīng)則會(huì)增加加熱表面附近流體的擾動(dòng)[29]。這兩種效應(yīng)使得通道中汽泡尺寸減小，液體、壁面和汽泡之間的摩擦減小，因此單位長度兩相摩擦壓降降低。由圖10b可知，隨質(zhì)量流率增大，有無超聲條件下的單位長度兩相摩擦壓降相差不大，其原因是質(zhì)量流率增大，兩相段長度減小，超聲波對壓降的影響減弱。

3.3 超聲場對單位長度兩相摩擦壓降的影響

超聲波功率及頻率會(huì)影響其空化效應(yīng)，進(jìn)而對單位長度兩相摩擦壓降產(chǎn)生不同程度的影響。圖11a中，同一熱流密度下，單位長度兩相摩擦壓降隨超聲功率增大而增大。熱流密度為18.56 kW/m2、超聲頻率為40 Hz、質(zhì)量流率為118.64 kg/(m2·s)條件下，50 W超聲波較12.5、25、37.5 W超聲作用下單位長度兩相摩擦壓降分別增大36.15%、24.42%、5.49%。超聲波功率直接影響超聲波在工質(zhì)中的傳播能量，一方面，根據(jù)聲壓幅值與超聲功率密度的關(guān)系，pA=(2ρcI)0.5(pA為聲壓幅值，c為反應(yīng)體系聲速，I為超聲功率密度)，超聲發(fā)射面積一定時(shí)，超聲功率增大，聲壓幅值亦增大，在正負(fù)相區(qū)汽泡受到超聲波的拉伸和壓縮作用更加強(qiáng)烈，通道內(nèi)汽泡運(yùn)動(dòng)更加劇烈，兩相摩擦作用加??；另一方面聲空化效應(yīng)影響空化汽泡成長及潰滅，所產(chǎn)生的聲壓會(huì)使汽泡間存在相互作用力，即次級Bjerknes力FB[30]，表達(dá)式為

(15)

式中d——兩汽泡之間的距離

V1、V2——兩汽泡的體積

半徑不同的汽泡間的作用力隨時(shí)間的變化引力和斥力交替出現(xiàn)，在本實(shí)驗(yàn)的微細(xì)通道中，汽泡大小各異，汽泡受到引力斥力的交替作用，隨功率增大，空化汽泡的體積增大，汽泡之間相互力作用越強(qiáng)，通道內(nèi)氣液兩相紊亂程度增大，從而導(dǎo)致單位長度兩相摩擦壓降隨之增大。

圖11b表明超聲波功率為50 W時(shí)，同一熱流密度下，超聲波頻率越大，單位長度兩相摩擦壓降越小。熱流密度為18.56 kW/m2時(shí)，40 kHz超聲相比32、28、23 kHz超聲作用下單位長度兩相摩擦壓降分別減小9.64%、16.86%、23.85%。超聲波頻率增大使得空化周期縮短，空化汽泡的膨脹時(shí)間變短，使得空化核心還未增長到一定半徑便進(jìn)入超聲負(fù)相區(qū)受到壓縮作用，而在負(fù)相區(qū)的壓縮時(shí)間也變短，導(dǎo)致空化汽泡來不及發(fā)生崩潰，通道內(nèi)汽泡尺寸較小[31]，從而導(dǎo)致汽泡之間的運(yùn)動(dòng)相對緩和，單位長度兩相摩擦壓降減小。在低熱流密度10.01～18.56 kW/m2階段，超聲波功率越小、頻率越大，減阻效果越顯著；在高熱流密度階段，各工況下壓降相差不大，超聲參數(shù)對壓降的影響差異減小，其原因是熱流密度越大，微細(xì)通道內(nèi)沸騰更加劇烈，汽泡數(shù)量大幅增加，氣液界面的增加阻礙超聲波傳播至加熱面，空化作用減弱[32-33]。

3.4 可視化分析

在氣液兩相流中，流型對傳熱與流動(dòng)影響巨大，兩相流壓降與微細(xì)通道內(nèi)的流型密切相關(guān)[34]，流型的變化往往會(huì)引發(fā)流阻的改變，氣相份額越大，兩相流壓降相應(yīng)增大。為了更加直觀地了解微細(xì)通道內(nèi)實(shí)驗(yàn)工質(zhì)沸騰時(shí)汽泡的運(yùn)動(dòng)及流型的變化情況，借助高速攝像儀研究有無超聲作用下微細(xì)通道內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)以探討超聲波對微細(xì)通道內(nèi)流型及汽泡運(yùn)動(dòng)行為的影響機(jī)理。圖12為熱流密度為15.51 kW/m2、質(zhì)量流率為118.64 kg/(m2·s)、進(jìn)口溫度為35℃時(shí)有無超聲作用下單條通道內(nèi)典型區(qū)域的高速視頻圖像，每組相鄰圖像攝像間隔時(shí)間為2.879 ms。

上游段兩種通道內(nèi)加熱面的汽化核心處均產(chǎn)生汽泡，汽泡逐漸長大到一定程度后，失去穩(wěn)定而脫離受熱面進(jìn)入主流區(qū)。對比兩種通道內(nèi)的高速視頻圖像發(fā)現(xiàn)，在沸騰起始階段，無超聲作用的通道內(nèi)汽泡數(shù)量較少，隨著工質(zhì)流動(dòng)，部分小汽泡逐漸匯聚成較大的汽泡；超聲作用時(shí)，通道底部汽泡數(shù)量也較少，隨工質(zhì)流動(dòng)汽泡數(shù)量有所增加且汽泡尺寸較無超聲通道的小，說明超聲波使得汽泡沸騰階段的汽泡數(shù)量增加，尺寸減小，比較上游段兩通道內(nèi)的汽泡數(shù)量，超聲作用通道內(nèi)的汽泡數(shù)量約為無超聲作用通道的1.5倍，其原因是超聲波在介質(zhì)中傳播發(fā)生的空化效應(yīng)能促進(jìn)加熱面附近產(chǎn)生部分氣化核心進(jìn)而發(fā)展形成小汽泡，汽泡在超聲波正負(fù)相區(qū)膨脹、收縮，周期性地生長和潰滅從而增加擾流作用，使汽泡脫離頻率加快，脫離直徑減小。此時(shí)上游段有無超聲作用的微細(xì)通道內(nèi)流型均為泡狀流。保持其他工況相同，比較有無超聲作用下微細(xì)通道某一相近位置汽泡的運(yùn)動(dòng)軌跡，由第1幀(0 ms)到第5幀(11.516 ms)圖像可發(fā)現(xiàn)超聲作用下通道內(nèi)汽泡運(yùn)動(dòng)速度更快，這是由于超聲波使得通道內(nèi)汽泡尺寸變小，小汽泡與主流流體的跟隨性較強(qiáng)，與主流液體的滑移速度較??；無超聲時(shí)，汽泡尺寸較大，跟隨性較差。

工質(zhì)流動(dòng)至下游段時(shí)，兩種微細(xì)通道內(nèi)小汽泡成分明顯減少。無超聲作用的微細(xì)通道內(nèi)，汽泡不斷長大并迅速與周圍相鄰汽泡合并形成大汽泡，微細(xì)通道對合并后的汽泡在直徑方向的生長產(chǎn)生限制作用，汽泡因此產(chǎn)生變形、拉長，形成彈狀汽泡(如下游段無超聲作用通道底端所示)，合并后的汽泡不斷再次合并、拉長，形成較長彈狀汽泡(如下游段無超聲作用通道上端所示)，因此無超聲作用時(shí)下游通道內(nèi)流型主要為拉長彈狀流。超聲作用通道下游段汽泡數(shù)量、尺寸都有所增加，氣液界面增加，因此阻礙超聲波傳播至加熱面，且下游段距離換能器較遠(yuǎn)，空化效應(yīng)減弱，難以產(chǎn)生空化核心，通道內(nèi)幾乎沒有出現(xiàn)上游段的空化汽泡，此時(shí)聲流作用為主要影響機(jī)理，使得大小不同、形狀各異的汽泡彌散地分布在連續(xù)的液相內(nèi)形成泡狀流，隨著工質(zhì)流動(dòng)，部分汽泡合并成較短彈狀汽泡，此時(shí)通道內(nèi)流型以泡狀流和受限彈狀流為主。經(jīng)過測量及計(jì)算，高速視頻圖像中下游段典型區(qū)域無超聲及進(jìn)口超聲通道內(nèi)最長彈狀汽泡的平均當(dāng)量直徑分別為23.61、6.65 mm，微細(xì)通道內(nèi)存在拉長彈狀汽泡往往會(huì)引起壓降增大，而汽泡較短時(shí)，流體流速較慢，兩相摩擦壓降較小[35]，這與本文在超聲作用下微細(xì)通道內(nèi)摩擦壓降較小的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

4 結(jié)論

(1)在實(shí)驗(yàn)工況下，超聲波主要影響兩相段流動(dòng)沸騰的壓降。超聲波對微細(xì)通道內(nèi)流動(dòng)沸騰壓降具有一定減弱作用，當(dāng)質(zhì)量流率為118.64 kg/(m2·s)、熱流密度為17.03 kW/m2時(shí)，在實(shí)驗(yàn)段進(jìn)口處施加40 kHz、50 W的超聲波可使單位長度兩相摩擦壓降減小12.70%。

(2)在相同熱流密度條件下，單位長度兩相摩擦壓降隨超聲波功率增大而增大，隨超聲頻率增大而減小，質(zhì)量流率為118.64 kg/(m2·s)、熱流密度為18.56 kW/m2時(shí)，50 W較12.5 W超聲波作用下單位長度兩相摩擦壓降增大36.15%，40 kHz相比23 kHz超聲波作用下單位長度兩相摩擦壓降減小23.85%。超聲波對壓降的影響程度與熱流密度有關(guān)，在熱流密度10.01～18.56 kW/m2范圍內(nèi)，隨著超聲波功率減小、頻率增大，壓降減小效果更加顯著，在高熱流密度條件下超聲波參數(shù)對單位長度摩擦壓降的影響差異較小。為降低微細(xì)通道內(nèi)的流動(dòng)沸騰壓降，可適當(dāng)采用功率較小、頻率較高的超聲波。

(3)施加超聲波可使通道內(nèi)汽泡數(shù)量增加、尺寸減小，泡狀沸騰段典型區(qū)域超聲作用通道內(nèi)汽泡數(shù)量約為無超聲作用通道的1.5倍；工質(zhì)出口段無超聲作用通道流型為拉長彈狀流，超聲作用通道流型為泡狀流及受限彈狀流，兩種通道內(nèi)最長彈狀汽泡平均當(dāng)量直徑分別為23.61、6.65 mm。超聲波在核態(tài)沸騰階段可通過空化效應(yīng)及聲流作用促進(jìn)汽泡形成、加快汽泡脫離頻率，在劇烈沸騰階段氣液界面增加會(huì)阻礙超聲波的傳播，導(dǎo)致空化效應(yīng)減弱。