羅小平，楊婉，王夢(mèng)圓，候群

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

隨著各類微小型化設(shè)備的發(fā)展，微尺度換熱技術(shù)被廣泛研究。與傳統(tǒng)換熱方式相比，微細(xì)通道具有換熱能力強(qiáng)、體積小等優(yōu)點(diǎn)被大規(guī)模應(yīng)用于燃料電池、沸水反應(yīng)堆、電子設(shè)備冷卻等領(lǐng)域。一般認(rèn)為，微細(xì)通道在兩相換熱階段具有更好的換熱效果，同時(shí)也容易發(fā)生各種不穩(wěn)定性[1-3]。對(duì)于目前所發(fā)現(xiàn)的各種相變傳熱不穩(wěn)定性，Ledinegg不穩(wěn)定性是其中一種常見(jiàn)的靜態(tài)不穩(wěn)定性[4]。主要特點(diǎn)是：當(dāng)系統(tǒng)流動(dòng)受到微小擾動(dòng)后，換熱介質(zhì)流量可能會(huì)發(fā)生漂移，直到在另一流量下達(dá)到新的平衡。流量漂移是一種有害的熱工現(xiàn)象，由于流量的瞬間變化，可能造成微細(xì)通道局部干涸發(fā)生點(diǎn)蝕灼傷、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部件發(fā)生強(qiáng)迫共振、系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)產(chǎn)生疲勞裂紋、沸騰危機(jī)提前等后果，威脅系統(tǒng)的可靠性與安全性[5-6]。

因此學(xué)者們對(duì)常規(guī)微細(xì)通道的Ledinegg不穩(wěn)定性展開(kāi)研究。Ruspini 等[7]對(duì)微細(xì)通道的Ledinegg 現(xiàn)象進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)模擬，觀察在小擾動(dòng)下質(zhì)量流量的變化情況，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)具有同等概率向更低或更高質(zhì)量流量的方向發(fā)展。Zhang 等[8]采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的方法，研究不同條件下兩種流體在微通道中的不穩(wěn)定行為，發(fā)現(xiàn)通過(guò)增加系統(tǒng)壓力和通道直徑、減少并聯(lián)通道數(shù)與通道長(zhǎng)度、設(shè)置入口節(jié)流器可提高流動(dòng)的穩(wěn)定性，同時(shí)建立壓力梯度模型量化系統(tǒng)對(duì)Ledinegg 不穩(wěn)定性的敏感程度。Yang 等[9]除了研究系統(tǒng)壓力、入口溫度和熱通量對(duì)微細(xì)通道壓降-流量曲線的影響，還通過(guò)數(shù)學(xué)公式來(lái)描述Ledinegg不穩(wěn)定區(qū)域的邊界。

擴(kuò)展表面法作為一種常見(jiàn)的無(wú)源強(qiáng)化換熱方法被廣泛采用，有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)具有波紋壁面結(jié)構(gòu)的微細(xì)通道的強(qiáng)化換熱效果突出。Wan等[10]研究了半正弦波紋壁面微細(xì)通道的流動(dòng)沸騰特性并與水平壁面微細(xì)通道比較，發(fā)現(xiàn)在相同熱通量條件下不同尺寸波紋壁面的傳熱系數(shù)均大于水平壁面。對(duì)于具有擴(kuò)展表面的微細(xì)通道可能發(fā)生的不穩(wěn)定性現(xiàn)象也有少數(shù)學(xué)者研究，Xu等[11]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究不同形狀的翅片對(duì)于微間隙流動(dòng)沸騰不穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)翅片摩擦系數(shù)越大，溫度與壓力振蕩幅度越大。Kuo等[12]在不同凹腔結(jié)構(gòu)的微細(xì)通道中進(jìn)行流動(dòng)沸騰實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)凹腔結(jié)構(gòu)能夠延遲并減緩系統(tǒng)的流動(dòng)振蕩，擴(kuò)大穩(wěn)定沸騰區(qū)域的范圍。

綜上所述，微細(xì)通道產(chǎn)生Ledinegg不穩(wěn)定性會(huì)影響系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，嚴(yán)重的甚至?xí)l(fā)安全事故。然而目前的研究對(duì)象主要是常規(guī)微細(xì)通道，對(duì)于擴(kuò)展表面微細(xì)通道的不穩(wěn)定性研究較少，特別是關(guān)于波紋壁面微細(xì)通道的Ledinegg不穩(wěn)定性研究尚未見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。因此，本文采用計(jì)算機(jī)數(shù)控（computerized numerical control，CNC）加工了兩種波紋壁面與一種普通壁面的微細(xì)通道，以R141b為實(shí)驗(yàn)工質(zhì)，研究系統(tǒng)參數(shù)和壁面結(jié)構(gòu)對(duì)于微細(xì)通道Ledinegg不穩(wěn)定性的影響規(guī)律，并簡(jiǎn)要分析其原因。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示，主要包括注液裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、加熱裝置、限流調(diào)壓裝置和數(shù)據(jù)采集裝置等。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中工質(zhì)主要流動(dòng)路徑為：首先將R141b 通過(guò)注液裝置18 注入實(shí)驗(yàn)管路循環(huán)系統(tǒng)，由磁力泵1為其提供循環(huán)流動(dòng)動(dòng)力，經(jīng)過(guò)濾器6過(guò)濾后通過(guò)渦輪流量計(jì)7，再進(jìn)入預(yù)熱水箱9，預(yù)熱后流入實(shí)驗(yàn)段11，然后通過(guò)冷卻水箱19，最后流入儲(chǔ)罐20，儲(chǔ)罐20 與磁力泵1 相連后構(gòu)成一個(gè)循環(huán)回路。其余主要部件功能為：減振管可減緩磁力泵兩端振動(dòng)，壓力表與測(cè)溫儀用于監(jiān)測(cè)磁力泵與實(shí)驗(yàn)段兩端的壓力和溫度，節(jié)流閥可調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)流量，流量積算儀用于顯示流量數(shù)值，觀測(cè)鏡可觀察工質(zhì)的流動(dòng)情況，數(shù)據(jù)采集模塊用于接收壓力傳感器與熱電偶的測(cè)量信息并將其傳輸?shù)焦た貦C(jī)中。

圖1 Ledinegg不穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)流程

1.2 實(shí)驗(yàn)段

（1）微細(xì)通道實(shí)驗(yàn)段 圖2為微細(xì)通道實(shí)驗(yàn)段結(jié)構(gòu)，各部分功能為：鋁制基座用于放置微細(xì)通道板，基座底部的加熱板為實(shí)驗(yàn)段提供熱量，石英玻璃板經(jīng)上蓋板覆蓋形成可視化觀察孔，墊片與墊圈使各部分緊密相連。另外，在鋁制基座兩端設(shè)有實(shí)驗(yàn)工質(zhì)的進(jìn)出口，基座兩側(cè)面分別布置有測(cè)溫孔與測(cè)壓孔，連接溫度與壓力傳感器可記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中相應(yīng)參數(shù)的變化情況。

圖2 微細(xì)通道實(shí)驗(yàn)段結(jié)構(gòu)

（2）微細(xì)通道板 采用計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)加工出3 種具有9 條并聯(lián)矩形通道的微細(xì)通道板，基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3(a)。壁面結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3(b)～(d)，尺寸參數(shù)見(jiàn)表1。其中普通光滑微細(xì)通道為對(duì)照組，單條通道尺寸為240mm（長(zhǎng)）×2mm（寬）×2mm（高）。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前要對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行清洗、氣密性檢查以及抽真空等操作，完成上述步驟后才能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其中，系統(tǒng)清洗需要采用實(shí)驗(yàn)工質(zhì)R141b和氮?dú)膺M(jìn)行清洗，要求在注入工質(zhì)清洗幾次后由閥門排出的工質(zhì)無(wú)明顯顏色變化，再利用氮?dú)鈱⒐苈分袣埩舻墓べ|(zhì)吹出；系統(tǒng)抽真空選用FY-1H-N 型號(hào)真空泵進(jìn)行抽真空，要求真空表讀數(shù)達(dá)到-99kPa。本文主要研究熱通量與系統(tǒng)壓力對(duì)3種微細(xì)通道的壓降-流量特性曲線的影響，可調(diào)節(jié)相應(yīng)設(shè)備選用來(lái)改變系統(tǒng)參數(shù)，具體操作為：通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)壓器改變加熱板的輸出功率；通過(guò)控制實(shí)驗(yàn)工質(zhì)的充注量改變系統(tǒng)壓力；通過(guò)控制閥門開(kāi)度改變工質(zhì)流量；通過(guò)設(shè)定預(yù)熱水箱溫度控制實(shí)驗(yàn)工質(zhì)的入口溫度，從而完成特定工況下流量與壓降數(shù)據(jù)的測(cè)量。

圖3 三種微細(xì)通道板

表1 壁面尺寸

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

2.1 質(zhì)量流量

流經(jīng)實(shí)驗(yàn)段的工質(zhì)體積流量由渦輪流量計(jì)測(cè)出，單條微細(xì)通道尺寸已知，則質(zhì)量流量G可用式(1)表示。

式中，ρ 為工質(zhì)R141b 的密度；V 為流量計(jì)測(cè)得的體積流量；N為微細(xì)通道的數(shù)量；Ach為單條微細(xì)通道的截面積。

2.2 有效熱通量

有效熱通量是指考慮實(shí)驗(yàn)段熱損失后的熱通量，求解過(guò)程為：首先，由于微細(xì)通道試件類型為6061 型鋁材，具有良好的導(dǎo)熱性能，可認(rèn)為沿試件厚度方向滿足一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱定律，見(jiàn)式(2)。

式中，qe,n為鋁制基座上第n對(duì)測(cè)溫孔的局部有效熱通量；λ為鋁材的熱導(dǎo)率；Tup,n與Tdn,n分別為第n 對(duì)測(cè)溫孔上、下兩端的溫度值；δ 為上、下兩測(cè)點(diǎn)的間距。

圖4為某一測(cè)溫孔的布置方式。

圖4 測(cè)溫孔布置

本文中基座一側(cè)共布置有4對(duì)溫度傳感器，則試件的平均有效熱通量qave可用式(3)表示，實(shí)際有效熱通量qeff可用式(4)表示，微細(xì)通道接收到的有效熱量Qr可用式(5)表示，工質(zhì)R141b吸收的熱量Qf可用式(6)表示，熱損失率η可用式(7)表示。

式中，Ad為微細(xì)通道底面積；M為通道中工質(zhì)的質(zhì)量流量；C為工質(zhì)比熱容；Tin、Tout分別為微細(xì)通道入口溫度和出口溫度。

2.3 熱損失率

由于實(shí)驗(yàn)段不能完全隔熱，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)與外界環(huán)境進(jìn)行對(duì)流換熱散失熱量。為了減小熱損失帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)誤差，需要進(jìn)行單相熱平衡實(shí)驗(yàn)。在不同加熱功率條件下，保證工質(zhì)一直處于單相流動(dòng)狀態(tài)，待流動(dòng)穩(wěn)定后開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。然后通過(guò)式(7)計(jì)算熱損失率η，求出3 種微細(xì)通道中平均熱損失率分別為：8.8%（普通光滑）、9.5%（正弦波紋）、10.0%（三角形波紋）。結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)段熱損失率較小，可以進(jìn)行兩相沸騰換熱實(shí)驗(yàn)。

2.4 壓降

微細(xì)通道進(jìn)出口總壓降Δp可用式(8)表示。

式中，pin、pout分別為微細(xì)通道入口壓力與出口壓力。

2.5 誤差分析

實(shí)驗(yàn)誤差來(lái)源主要有測(cè)量誤差與計(jì)算誤差。測(cè)量誤差為測(cè)量?jī)x器精度，見(jiàn)表2；計(jì)算誤差通過(guò)誤差傳遞理論求出，計(jì)算步驟如下。

首先，相對(duì)誤差ξ為絕對(duì)誤差Δj與實(shí)際測(cè)量值j0的比值，見(jiàn)式(9)。

若被測(cè)量R 與n 個(gè)獨(dú)立變量相關(guān)，即式(10)，假設(shè)獨(dú)立變量j1,j2,…,jn的不確定度分別為δj1,δj2,…,δjn，則被測(cè)量R 的不確定度δR可用式(11)表示，故被測(cè)量R的相對(duì)不確定度εY可用式(12)表示。

由式(9)～式(12)計(jì)算出質(zhì)量流量G、有效熱通量qeff、總壓降Δp的相對(duì)不確定度，見(jiàn)表3。

表2 測(cè)量誤差

表3 計(jì)算誤差

3 結(jié)果與分析

3.1 不同波紋壁面微細(xì)通道的壓降-流量曲線

通常用壓降-流量曲線來(lái)描述微細(xì)通道的Ledinegg 不穩(wěn)定性，如圖5 所示。沿流量降低的方向，可將壓降-流量曲線a分為3個(gè)區(qū)域：過(guò)冷單相（Ⅰ）、兩相沸騰（Ⅱ）、單相蒸氣（Ⅲ），壓降呈現(xiàn)出先降低后升高再降低的趨勢(shì)，曲線a為N形曲線。這種現(xiàn)象是因?yàn)椋涸谳^大的流量下，工質(zhì)為液相狀態(tài)，此時(shí)降低流量會(huì)引起壁面附近工質(zhì)溫度升高、黏度降低，則流動(dòng)阻力減小，壓降也減?。浑S著流量進(jìn)一步降低，工質(zhì)受熱蒸發(fā)產(chǎn)生氣泡（ONB點(diǎn)），氣泡與液體之間相互作用會(huì)增大壓降，但由于此時(shí)氣泡生成數(shù)量較少，不足以改變流量降低的影響，所以壓降繼續(xù)減小；隨著氣泡生成數(shù)量增多，氣相體積增大，導(dǎo)致壓降變化發(fā)生逆轉(zhuǎn)（OFI點(diǎn)），此時(shí)流量減小反而使壓降增大；當(dāng)流量較低時(shí)，通道內(nèi)幾乎完全充滿氣體，壓降變化情況會(huì)再次逆轉(zhuǎn)。

圖5 Ledinegg不穩(wěn)定性［8］

圖5中壓降-流量曲線a與系統(tǒng)循環(huán)驅(qū)動(dòng)泵的壓頭-流量曲線b，相交于3 個(gè)平衡點(diǎn)（點(diǎn)1、點(diǎn)2、點(diǎn)3）。平衡點(diǎn)2 所處負(fù)斜率區(qū)為系統(tǒng)的不穩(wěn)定區(qū)域，此時(shí)曲線a 的斜率小于曲線b。當(dāng)系統(tǒng)在點(diǎn)2受到擾動(dòng)，可能會(huì)發(fā)生流量漂移，直到在點(diǎn)1或點(diǎn)3 處達(dá)到新的平衡為止，并且點(diǎn)2 負(fù)斜率區(qū)斜率越?。ɑ蜇?fù)斜率區(qū)曲線越陡峭），系統(tǒng)發(fā)生Ledinegg不穩(wěn)定性的概率越大[8]。

本文在恒定熱通量條件下逐漸減小質(zhì)量流量，得到不同壁面微細(xì)通道的壓降-流量曲線。圖6 為熱 通 量 分 別 為13.281kW/m2、 17.708kW/m2和22.138kW/m2時(shí)三種微細(xì)通道的壓降-流量曲線，工質(zhì)入口溫度為33℃，系統(tǒng)壓力為60kPa。觀察發(fā)現(xiàn)：在曲線的負(fù)斜率區(qū)，普通光滑微細(xì)通道的曲線相對(duì)平緩，而兩種波紋微細(xì)通道的曲線更加陡峭。表4 計(jì)算了曲線負(fù)斜率區(qū)斜率，當(dāng)熱通量一定時(shí)，比較斜率為三角形波紋＜正弦波紋＜普通光滑，但是兩種波紋微細(xì)通道的曲線斜率相差不大。所以認(rèn)為：波紋微細(xì)通道發(fā)生Ledinegg不穩(wěn)定性概率大于普通光滑微細(xì)通道，其中三角形波紋微細(xì)通道的穩(wěn)定性最差。

分析原因認(rèn)為：波紋結(jié)構(gòu)會(huì)增大壁面換熱面積且波谷凹坑有利于成核、存儲(chǔ)氣泡，在恒定熱通量條件下凹坑內(nèi)液體受熱蒸發(fā)會(huì)產(chǎn)生更多的氣泡[10]。此外，當(dāng)換熱介質(zhì)流速較大時(shí)，會(huì)在波峰處發(fā)生沖擊和分流，同時(shí)在波谷處形成渦流加劇換熱壁面附近流體擾動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致壓降波動(dòng)。Naphon[13]采用數(shù)值模型觀察Ⅴ形波紋壁面通道內(nèi)部速度變化，發(fā)現(xiàn)波紋槽內(nèi)發(fā)生了流體的再循環(huán)與渦流現(xiàn)象，認(rèn)為波紋通道的壓降由波紋表面對(duì)流場(chǎng)施加的阻力與表面渦流引起。所以，波紋壁面微細(xì)通道中氣泡生成數(shù)量增多、流動(dòng)阻力增大是造成系統(tǒng)容易發(fā)生Ledinegg不穩(wěn)定性的主要因素。另外，由于正弦波紋比三角形波紋更加平滑，對(duì)工質(zhì)的阻力較小，所以其發(fā)生Ledinegg不穩(wěn)定性的概率略低于三角形微細(xì)通道。

圖6 3種微細(xì)通道的壓降-流量曲線

表4 3種微細(xì)通道的曲線負(fù)斜率區(qū)斜率

3.2 熱通量對(duì)壓降-流量曲線的影響

由表4可知，熱通量的變化會(huì)改變曲線負(fù)斜率區(qū)斜率。為方便觀察，本節(jié)給出3種微細(xì)通道在不同熱通量時(shí)的壓降-流量曲線，如圖7 所示。觀察發(fā)現(xiàn)：隨著熱通量增大，3 種微細(xì)通道的壓降-流量曲線負(fù)斜率區(qū)越陡峭、壓降振幅越大。這是因?yàn)闊嵬吭酱螅瑲馀莸纳膳c生長(zhǎng)速率越快，在狹窄的微細(xì)通道中氣泡能夠快速生長(zhǎng)到通道直徑大小并沿通道軸向伸長(zhǎng)，與其他氣泡匯聚后形成更大的氣泡，造成系統(tǒng)流量擾動(dòng)與壓降波動(dòng)，進(jìn)而引發(fā)整個(gè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。因此熱通量越大，系統(tǒng)越容易發(fā)生Ledinegg不穩(wěn)定性。

3.3 系統(tǒng)壓力對(duì)壓降-流量曲線的影響

圖7 不同熱通量時(shí)的壓降-流量曲線

圖8 為不同系統(tǒng)壓力下3 種微細(xì)通道的壓降-流量曲線，取工質(zhì)的入口溫度為33℃，熱通量為17.708kW/m2。由圖可知，當(dāng)系統(tǒng)壓力從40kPa 增大到80kPa 時(shí)，3 種微細(xì)通道的負(fù)斜率區(qū)曲線更加平緩，即斜率增大且系統(tǒng)壓力越大、壓降振幅越小。所以增大系統(tǒng)壓力會(huì)降低微細(xì)通道發(fā)生Ledinegg不穩(wěn)定性的概率。這是因?yàn)樵谕粺嵬颗c質(zhì)量流量條件下，系統(tǒng)壓力增大會(huì)導(dǎo)致工質(zhì)發(fā)生飽和沸騰所需熱量增多。所以當(dāng)加熱量一定時(shí)，增加系統(tǒng)壓力會(huì)造成微細(xì)通道中氣泡生成數(shù)量減少、壓降波動(dòng)幅度降低，從而使流動(dòng)過(guò)程更加穩(wěn)定。Kuo 等[14]也認(rèn)為高壓條件會(huì)抑制氣泡的快速生長(zhǎng)，并且觀察到高壓作用時(shí)氣泡脫離直徑變小，從而減小系統(tǒng)壓降振蕩。在兩相沸騰階段，總壓降Δp 主要由單相壓降Δpsp（包括重力壓降Δpsp,g和摩擦壓降Δpsp,f）與兩相壓降Δptp（包括重力壓降Δptp,g、加速度壓降Δptp,a和摩擦壓降Δptp,f）組成。其中Δpsp,g、Δptp,g表達(dá)式[15]見(jiàn)式(13)、式(14)，Δptp,a、Δpsp,f和Δptp,f的表達(dá)式[8]見(jiàn)式(15)～式(17)。

圖8 不同系統(tǒng)壓力下的壓降-流量曲線

當(dāng)系統(tǒng)壓力增大時(shí)，實(shí)驗(yàn)工質(zhì)的液相與氣相密度比（ρl/ρv）會(huì)減小。在總壓降Δp的各組成部分中Δptp,g、Δptp,a和Δptp,f與ρl/ρv有關(guān)，并且隨著ρl/ρv減小而減小，從而引起總壓降Δp 降低。因此當(dāng)熱通量與質(zhì)量流量一定時(shí)，系統(tǒng)壓力越大時(shí)兩相階段內(nèi)總壓降越小，在壓降-流量曲線上表現(xiàn)為壓降幅值降低、負(fù)斜率區(qū)曲線斜率數(shù)值減小，從而使流動(dòng)更加穩(wěn)定[14]。

由圖8還可觀察到，正弦波紋與三角形波紋微細(xì)通道在同一系統(tǒng)壓力下的壓降波動(dòng)幅度大于普通光滑微細(xì)通道。另外，在兩種波紋微細(xì)通道中，由系統(tǒng)壓力增大引起的負(fù)斜率區(qū)斜率增量比普通光滑微細(xì)通道更小，具體數(shù)值為：123.65%（普通光滑）、85.36%（正弦波紋）、76.53%（三角形波紋）?？梢哉J(rèn)為波紋結(jié)構(gòu)能在一定程度上降低系統(tǒng)壓力增大帶來(lái)的影響。

3.4 OFI點(diǎn)分析

圖5中OFI點(diǎn)是壓降-流量曲線的極小值點(diǎn)，通常被看作是劃分穩(wěn)定區(qū)域與不穩(wěn)定區(qū)域的標(biāo)志。當(dāng)系統(tǒng)質(zhì)量流量小于OFI點(diǎn)的質(zhì)量流量時(shí)，隨著質(zhì)量流量減小，壓降增大，且曲線斜率越小壓降變化越大，越容易發(fā)生Ledinegg不穩(wěn)定性。然而在質(zhì)量流量由大減小過(guò)程中必然會(huì)通過(guò)OFI點(diǎn)，且OFI點(diǎn)質(zhì)量流量越大代表其右側(cè)穩(wěn)定區(qū)域的范圍越小。所以本節(jié)主要分析不同條件下OFI點(diǎn)質(zhì)量流量的變化情況。

圖9 展示了熱通量對(duì)3 種微細(xì)通道OFI 點(diǎn)質(zhì)量流量的影響。由圖可知，隨著熱通量增大，3種微細(xì)通道的OFI點(diǎn)質(zhì)量流量均增大。這是因?yàn)楫?dāng)質(zhì)量流量逐漸減小時(shí)，增大熱通量會(huì)導(dǎo)致壁面溫度上升，促進(jìn)工質(zhì)在較高的質(zhì)量流量下發(fā)生相變、產(chǎn)生氣泡，更快到達(dá)ONB 點(diǎn)（onset of nucleate boiling，過(guò)冷沸騰起始點(diǎn)）。而對(duì)于OFI 點(diǎn)與ONB 點(diǎn)之間的關(guān)系，Wu等[16]通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)：對(duì)于微細(xì)通道，當(dāng)熱通量增加時(shí)，OFI點(diǎn)與ONB點(diǎn)質(zhì)量流量差值會(huì)減小，兩點(diǎn)會(huì)更加接近，即OFI點(diǎn)會(huì)向質(zhì)量流量增大的方向移動(dòng)。綜上可知，熱通量增大會(huì)帶來(lái)OFI點(diǎn)質(zhì)量流量增大[9]、穩(wěn)定區(qū)域范圍縮小，則系統(tǒng)越容易從穩(wěn)定區(qū)域過(guò)渡到不穩(wěn)定區(qū)域，發(fā)生Ledinegg不穩(wěn)定性概率增加。

圖9 不同熱通量時(shí)OFI點(diǎn)質(zhì)量流量

由圖9 還可觀察到，同一熱通量下，OFI 點(diǎn)質(zhì)量流量大小與壁面結(jié)構(gòu)有關(guān)，三角形波紋與正弦波紋微細(xì)通道的OFI點(diǎn)質(zhì)量流量差值較小，且均大于普通光滑微細(xì)通道。這是因?yàn)椴y壁面具有更多的成核點(diǎn)以及更大的換熱面積，有利于壁面氣泡的生成與生長(zhǎng)，從而使相變提前發(fā)生，縮小穩(wěn)定區(qū)域的范圍。

關(guān)于系統(tǒng)壓力對(duì)OFI 點(diǎn)質(zhì)量流量的影響，由圖8 可知：當(dāng)系統(tǒng)壓力增加時(shí)，3 種微細(xì)通道中OFI 點(diǎn)質(zhì)量流量變化幅度較小，均值分別為：383.08kg/(m2·s) （三 角 形 波 紋）、341.19kg/(m2·s)（正弦波紋）、308.94kg/(m2·s)（普通光滑）。所以認(rèn)為增大系統(tǒng)壓力對(duì)OFI點(diǎn)質(zhì)量流量影響較小，但是其大小與壁面結(jié)構(gòu)有關(guān)。

4 結(jié)論

對(duì)正弦波紋、三角形波紋與普通光滑壁面的微細(xì)通道進(jìn)行Ledinegg 不穩(wěn)定性研究，分析壁面結(jié)構(gòu)、熱通量與系統(tǒng)壓力對(duì)3種微細(xì)通道Ledinegg 不穩(wěn)定性的影響規(guī)律。通過(guò)壓降-流量曲線的負(fù)斜率區(qū)斜率大小（或負(fù)斜率區(qū)曲線陡峭程度）及OFI點(diǎn)質(zhì)量流量大小，來(lái)表征壁面結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)參數(shù)對(duì)于系統(tǒng)Ledinegg不穩(wěn)定性的影響，得出以下結(jié)論。

（1）當(dāng)熱通量與系統(tǒng)壓力恒定時(shí)，與普通光滑微細(xì)通道相比，正弦波紋與三角形波紋微細(xì)通道的曲線負(fù)斜率區(qū)斜率更小、數(shù)值接近，OFI點(diǎn)質(zhì)量流量更大、差值較小，波紋壁面更容易發(fā)生Ledinegg不穩(wěn)定性。

（2） 當(dāng) 熱 通 量 從 13.281kW/m2升 高 到22.138kW/m2，3 種微細(xì)通道的曲線負(fù)斜率區(qū)斜率減小，壓降波動(dòng)幅度增加，OFI 點(diǎn)質(zhì)量流量增大，系統(tǒng)的不穩(wěn)定性隨著熱通量的升高而增大。

（3）當(dāng)系統(tǒng)壓力從40kPa 提高到80kPa，系統(tǒng)壓力越大，3 種微細(xì)通道中曲線負(fù)斜率區(qū)越平緩，壓降波動(dòng)幅度越小，但OFI 點(diǎn)質(zhì)量流量基本不變，系統(tǒng)的不穩(wěn)定性隨著系統(tǒng)壓力的增加而降低。

本文對(duì)正弦波紋與三角形波紋壁面的微細(xì)通道開(kāi)展了Ledinegg 不穩(wěn)定性研究。在之后的研究中，可繼續(xù)探究波紋壁面的波高、波長(zhǎng)、布置方式等因素對(duì)系統(tǒng)不穩(wěn)定性的影響，結(jié)合強(qiáng)化傳熱研究，為波紋壁面微細(xì)通道的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

符號(hào)說(shuō)明

Ach——單條微細(xì)通道的截面積，m2

Ad——微細(xì)通道底面積，m2

C——工質(zhì)比熱容，kJ/(kg·℃)

Dh——通道水力直徑，m

G——工質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/(m2·s)

g——重力加速度，m/s2

j1、j2、…、jn--n個(gè)獨(dú)立變量

L——微細(xì)通道長(zhǎng)度，m

Lsp、Ltp——分別為單相與兩相流動(dòng)區(qū)域的長(zhǎng)度，m

M——通道中工質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/s

N——微細(xì)通道的數(shù)量

pin、pout——分別為微細(xì)通道進(jìn)、出口壓力，kPa

Po——泊肅葉數(shù)

Δp——進(jìn)出口總壓降，kPa

Δpsp、Δpsp,f、Δpsp,g——分別為單相壓降、單相摩擦壓降、單相重力壓降，kPa

Δptp、Δptp,a、Δptp,f、Δptp,g——分別為兩相壓降、兩相加速度壓降、兩相摩擦壓降、兩相重力壓降，kPa

Qf—— 工質(zhì)吸收的熱量，W

Qr—— 微細(xì)通道板接收到的有效熱量，W

qave—— 平均有效熱通量，W/m2

qeff—— 實(shí)際有效熱通量，W/m2

qe,n—— 第n對(duì)測(cè)溫孔的局部有效熱通量，W/m2

R—— 被測(cè)量

Tup,n、Tdn,n—— 分別第n對(duì)測(cè)溫孔上、下端的溫度值，K

Tin、Tout—— 分別為微細(xì)通道入口、出口溫度，℃

V—— 渦輪流量計(jì)測(cè)得的體積流量，m3/h

x0—— 出口干度

α0—— 出口空泡率

δ—— 上、下兩測(cè)點(diǎn)的間距，m

δj1、δj2、—— n個(gè)獨(dú)立變量的相對(duì)不確定度…、δjn

δR—— 被測(cè)量R的不確定度

εR—— 被測(cè)量R的相對(duì)不確定度

η—— 熱損失率

λ—— 鋁材的熱導(dǎo)率，W/(m·K)

μl、μv—— 分別為工質(zhì)的液相、氣相動(dòng)力黏度，Pa·s

ξ—— 相對(duì)誤差

ρ—— 工質(zhì)的密度，kg/m3

ρl，ρv—— 分別為工質(zhì)的液相、氣相密度，kg/m3