2.4表面张力对换热特性的影响

微通道内的汽液两相流动与其换热特性密切相关，沿流动方向的加热壁面温度Tw、Nu分布常用于表征流动沸腾过程中汽液两相流的换热特性。下面从Tw、Nu沿流动方向的变化以及微通道内的局部过热分布等方面研究表面张力对换热特性的影响。

t=40 ms时刻，Tw、Nu的分布分别如图7,8所示(不包括Tw>395 K,Nu>68以及异常过热点的值)，图8中Nu按文献[11]提出的公式计算得出。

图7加热壁面温度沿流动方向的变化(t=40 ms)

从图7可以看出：对应3种σ，从入口至11 mm区域内，Tw都呈上升趋势，逐渐增大至379 K左右(图7中Tw=379 K红色虚线处)；在11 mm之后的区域，Tw出现波动，且差异明显。σ=0.035 N·m⁻¹时，Tw波幅最小，超过90%的Tw均为379~384 K，而σ=0.059 N·m⁻¹时，Tw的波幅达19 K。

图8加热壁面Nu沿流动方向的变化(t=40 ms)

从图8可以看出：对应不同σ，沿流动方向的0~11 mm区域，Nu均呈下降趋势；在11 mm至出口处，Nu则出现不同程度的波动。与σ=0.059 N·m⁻¹相比，σ=0.035 N·m⁻¹对应的Nu的波动幅度降低近70%，约95%的Nu为12~24。可见，表面张力σ对沿通道11~20 mm区域的Tw和Nu的波动及其程度有较大影响，减小σ，弹状流向拉伸汽泡流的转变滞后，且汽泡尺寸减小，汽液两相流动稳定性增加，相应地，Tw和Nu的波幅减小，换热也相对稳定。此外，相对于起初阶段的泡状流区域，弹状流和拉伸汽泡流的换热恶化，影响换热的可靠性。微通道内汽液两相流的不稳定会导致通道局部过热(尤其是弹状流、拉伸汽泡流阶段)。

t=40 ms时，距离入口9~15 mm处通道内的温度分布云图如图9所示。

图9距离入口9~15mm通道内的温度分布(t=40 ms)

从图9可以看出：σ=0.035 N·m⁻¹时，通道内存在3处局部异常过热(图9中绿色区域，该处指T>400 K的情况)；而σ=0.059 N·m⁻¹时，通道内异常过热区域则增加至8处(图9c)。图9d中I,II分别对应图9a中I处、图9c中II处的温度等值线图。比较σ分别为0.035,0.059 N·m⁻¹这2种情况，最高过热度ΔT从600 K飚升至1200 K，图9a中III处的壁面及流体的温度为373~392 K(图9d)，ΔT最高仅为20 K。汽泡与壁面之间的液体微层是决定通道内是否局部异常过热的根本原因。微通道内汽泡的形态如图10所示。

图10微通道内汽泡的形态

图10a中汽泡与加热壁面间存在一定厚度的液体微层，由壁面导出的热量使微层内的液体迅速汽化，吸收汽化潜热，实现热质的快速迁移。因此，壁面不会出现局部异常过热(图9d中III处)；图10b则不同，汽泡与壁面间的液体微层不连续，局部出现缺液，发生干涸，汽相充斥于壁面附近，近壁区传热热阻显著增加，导致壁面热量难以转移，壁温迅速升高，以局部干涸点处的壁温为温度最高点，向邻近区域发生热量扩散，形成图9d中I,II处的温度梯度。比较发现：相对于σ为0.059 N·m⁻¹，σ为0.035 N·m⁻¹时微通道内的局部异常过热区域减少约3/4，最高过热温差ΔT降低约600 K，换热更可靠、安全。

3结论

1)表面张力不同，微通道内的汽泡演变和汽液两相流型发展有所差异，但沿流动方向均依次呈现泡状流、弹状流与拉伸汽泡流等汽液两相流型的发展规律，对应较小的表面张力，弹状流向拉伸汽泡流的转变相对延迟，拉伸汽泡的长度缩短近1/2，有利于维持汽液两相流动的稳定性。

2)汽泡演变引起的扰动、漩涡和汽塞及汽液两相速度分布不均是汽液两相流流动不稳定的主因。减小表面张力，汽液两相的压降波动幅度降低约2.1 kPa，汽液两相流的流动稳定性提高。

3)相对于初始的泡状流区域，弹状流和拉伸气泡流区域的换热恶化，表面张力对弹状流、拉伸汽泡流阶段的壁温、Nu的波动及其程度有较大影响，减小表面张力，加热壁面的壁温、Nu的波动幅度减小，换热稳定性增强；与σ=0.059 N·m⁻¹相比，σ=0.035 N·m⁻¹对应的微通道内的局部异常过热区域(壁温超过400 K的区域)减少约3/4，最高过热温差降低约600 K，换热更可靠、安全。