Теплофизика и аэромеханика №3 2015 (165,00 руб.)

Стр.1

Стр.2

Стр.3

Стр.1

Теплофизика и аэромеханика, 2015, том 22, № 3 УДК 532.529:536.24 Режимы двухфазного течения в микро- и миниканалах (обзор)* Е.А. Чиннов, Ф.В. Роньшин, О.А. Кабов Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, Новосибирск Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет E-mail: chinnov@itp.nsc.ru Обзор посвящен анализу факторов, влияющих на границы двухфазных режимов в каналах разного поперечного сечения с минимальным размером менее капиллярной постоянной. Приведена классификация каналов по размеру. Данные по режимам двухфазного течения систематизированы и приведены в таблицах для круглых и прямоугольных каналов. Указано, что в большинстве работ выделены следующие режимы двухфазного течения: пузырьковый, снарядный и кольцевой. Описаны режимы, встречающиеся в отдельных работах. Сохранена используемая для описания режимов терминология. Проанализированы основные факторы, влияющие на структуру двухфазного потока, такие как расходы газа и жидкости, параметры канала и входного участка, смачиваемость внутренней поверхности каналов, свойства жидкости, гравитационные силы. Показано, что развитие неустойчивостей двухфазного потока оказывает существенное влияние на формирование, эволюцию и смену режимов течения. Ключевые слова: двухфазное течение, плоский канал, микроканал. Введение Развитие теплообменников с микро- и наноразмерами показывает, что такие системы оказываются гораздо более энергоэффективными, чем макросистемы с размерами каналов более 1 мм. Существующие системы охлаждения не позволяют обеспечить современных требований по отводу тепла от высокотеплонапряженных источников в электронном и микроэлектронном оборудовании. При уменьшении толщин плоских каналов отношение поверхности к объему канала увеличивается обратно пропорционально его минимальному поперечному размеру, что обусловливает высокую интенсивность теплообмена в микросистемах. Такие системы получают все более широкое распространение в микроэлектронике, в аэрокосмической индустрии, транспорте и энергетике. Опубликовано значительное количество работ по исследованию двухфазного течения. В литературе имеется различная классификация каналов по их поперечным размерам. Например, в работе (Kandikar, 2003) выделены микроканалы с характерным размером 10−200 мкм, миниканалы с размером 200−3000 мкм и конвективные каналы с размером более 3 мм. Однако систематизация, не зависящая от физических процессов, происходящих в каналах, выглядит искусственно. Изменение режимов течения в большинстве выполненных экспериментов определяется в первую очередь влиянием капиллярных * Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России (соглашение № 14.604.21.0053). © Чиннов Е.А., Роньшин Ф.В., Кабов О.А., 2015 275

Стр.2

Чиннов Е.А., Роньшин Ф.В., Кабов О.А. и гравитационных сил. Относительное влияние капиллярных и гравитационных сил можно описывать, используя критерий Бонда (Этвеша) или отношение диаметра канала d к капиллярной постоянной l классификация размеров каналов. 1. Крупномасштабные (конвективные) каналы d > 5l < d < 5l .. В работе (Чиннов, Кабов, 2006) приведена следующая , характеризующиеся отсутствием влияния капиллярных сил за счет кривизны канала. В этих условиях возможно проявление капиллярных эффектов на уровне других масштабов: пузыри, волны. 2. Гравитационно-капиллярные каналы 0,5l , в которых проявляется совместное влияние капиллярных и гравитационных сил, но гравитационные силы превосходят капиллярные. При d = 0,5l происходит вырождение раздельного режима течения. 3. Капиллярно-гравитационные каналы (миниканалы) 0,1l < d < 0,5l с совместным влиянием капиллярных и гравитационных сил, когда капиллярные силы превосходят гравитационные. Каналы второго и третьего типов можно также называть минимасштабными. 4. Капиллярные каналы (микроканалы) d < 0,1l , где отсутствует действие гравитационных сил, а определяющее влияние оказывают капиллярные эффекты. Каналы этого типа можно называть микромасштабными. В работе (Ребров, 2010) выделены три характерные группы течений в микроканалах: с преобладанием сил поверхностного натяжения, с преобладанием сил инерции и переходные между первыми двумя случаями. Характерным числом Этвеша для перехода от макро- к микроканалам было названо Eo = 0,84 (Bretherton, 1961), оно вычисляется по формуле Eo=∆ , gL разность плотностей, 2 (1) где g ⎯ ускорение свободного падения, L ⎯ характерный поперечный размер, ∆ = 2 − 1 ⎯ ⎯ коэффициент поверхностного натяжения. Также выделено шесть режимов течений: пузырьковый, снарядный, струйно-снарядный, струйный, вспененный и капельно-кольцевой (рис. 1). Обзор работ по режимам двухфазных течений в каналах различной геометрии и размера содержится в статье (Чиннов, Кабов, 2006). В публикациях (Ребров, 2010 и Shao et al., 2009) приведен детальный обзор статей, посвященных в основном течению в круглых микротрубах. Рассмотрено влияние размеров канала, свойств жидкости, смачиваемости и др. на режимы двухфазного течения. В работе (Ребров, 2010) проанализировано влияние на эти режимы геометрий разных входных участков. В работах (Haverkamp, 2006 и Ребров, 2010) показано, что границы режимов газо-жидкостного течения в микроканалах Рис. 1. Схематическое представление режимов течений в микроканалах (Ребров, 2010). Режимы течения: I ⎯ пузырьковый, II ⎯ снарядный, III ⎯ струйно-снарядный, IV ⎯ снаряднокольцевой, V ⎯ струйный, VI ⎯ вспененный, VII ⎯ капиллярно-кольцевой. 276 σ σ σ σ σ σ σ σ ρ ρ ρ ρσ σ

Стр.3