羅小平，楊書斌，張超勇，許靜姝

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

目前，主動(dòng)強(qiáng)化傳熱技術(shù)、被動(dòng)強(qiáng)化傳熱技術(shù)和復(fù)合強(qiáng)化傳熱技術(shù)的微細(xì)通道強(qiáng)化傳熱技術(shù)被越來越多的研究人員所關(guān)注。在微細(xì)通道中引入電場、聲場、磁場等外加物理場來強(qiáng)化傳熱是主動(dòng)強(qiáng)化傳熱技術(shù)[1-3]，這種強(qiáng)化傳熱技術(shù)具有可控制的輸入能量和調(diào)整方向的優(yōu)點(diǎn)。DIAO 等[4]研究電場對矩形微細(xì)通道的作用，相比于無電場，有電場的工況下傳熱系數(shù)大幅度地提升了，最大增強(qiáng)了1.45 倍。ZHANG 等[5]設(shè)計(jì)了2 種不同的電極(針狀與線狀)并將電場引入到微細(xì)通道中，研究了電場對R141b流動(dòng)沸騰傳熱的影響，研究發(fā)現(xiàn)2種電極下生成的電場均有強(qiáng)化效果，針狀電極與線狀電極的最大強(qiáng)化傳熱比分別為1.72 與1.80。LEGAY 等[6]研究超聲波不同頻率下的微細(xì)通道的傳熱效果，在低頻超聲波(20～100 kHz)中能夠產(chǎn)生具有強(qiáng)化傳熱效果的聲流效應(yīng)和空化效應(yīng)。YU等[7]研究了不同參數(shù)超聲波對微細(xì)通道R141b流動(dòng)沸騰傳熱特性的影響，發(fā)現(xiàn)超聲波對流動(dòng)沸騰傳熱具有明顯的強(qiáng)化作用，在實(shí)驗(yàn)工況范圍內(nèi)超聲波功率越高，超聲輻射角越大，強(qiáng)化傳熱效果越好，最大強(qiáng)化傳熱倍數(shù)可達(dá)1.88。LEE等[8]研究了聲場作用下池沸騰的傳熱效果，通過粒子圖像速度測量儀器，發(fā)現(xiàn)氣泡在傳熱界面的擾動(dòng)有所增強(qiáng)，小氣泡的脫離頻率與移動(dòng)速度較無聲場的情況下均有提高，相對于無聲場，聲場作用的傳熱系數(shù)提高了17%。被動(dòng)強(qiáng)化傳熱技術(shù)是指不需要外部輸入能量的強(qiáng)化傳熱技術(shù)，包括微細(xì)通道的表面改性且工質(zhì)的改變(加入納米顆粒)、增加翅片等方法[9-11]。將一種或多種的主動(dòng)強(qiáng)化技術(shù)或被動(dòng)強(qiáng)化技術(shù)復(fù)合在一起以進(jìn)一步強(qiáng)化傳熱技術(shù)為復(fù)合強(qiáng)化傳熱技術(shù)。ZHENG 等[12]研究了超聲波下不同結(jié)構(gòu)管內(nèi)LiBr 溶液的強(qiáng)化傳熱效果，對比了光滑管、螺紋管、翅片管3種不同結(jié)構(gòu)下的超聲波傳熱效果，其中翅片管的傳熱效率最大可以提高17.85%。SHEN 等[13]對聲場作用下Al2O3池沸騰傳熱進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在自然對流階段，超聲波可以增強(qiáng)Al2O3納米流體傳熱，傳熱系數(shù)隨熱流密度增大而減小，在過冷沸騰階段，液體溫度為60 ℃時(shí)，超聲波無法強(qiáng)化傳熱，在飽和沸騰階段超聲波能強(qiáng)化納米流體傳熱，傳熱系數(shù)隨熱流密度增加而增大。WANG 等[14]對電場作用下微細(xì)通道納米流體強(qiáng)化傳熱進(jìn)行數(shù)值模擬研究，研究結(jié)果表明微通道中的傳熱提升主要是因?yàn)殡娪拘?yīng)和熱泳效應(yīng)引起的混沌對流。

許多研究人員對電場作用和聲場作用下的微細(xì)通道的傳熱特性進(jìn)行了研究，而關(guān)于電場和聲場協(xié)同作用下的微通道傳熱特性研究較少，這主要是因?yàn)槲⒓?xì)通道的尺寸小，難以實(shí)現(xiàn)電極和超聲波換能器的布置。對此，本文作者設(shè)計(jì)制造出一種可以將電場和聲場引入微細(xì)通道的新裝置，以制冷劑R141b為工質(zhì)，在多種工況下進(jìn)行微細(xì)通道流動(dòng)沸騰實(shí)驗(yàn)，研究在電場和聲場協(xié)同作用下微細(xì)通道強(qiáng)化傳熱效果。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與過程

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括工質(zhì)循環(huán)裝置、實(shí)驗(yàn)段、加熱及冷卻裝置、數(shù)據(jù)采集裝置、高速攝像采集裝置，如圖1 所示。工質(zhì)由磁力泵推動(dòng)進(jìn)入預(yù)熱水箱加熱，至預(yù)定溫度后以液相狀態(tài)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段，經(jīng)實(shí)驗(yàn)段中加熱板加熱達(dá)到飽和溫度后以氣液兩相狀態(tài)離開實(shí)驗(yàn)段，進(jìn)入冷凝器和冷卻水箱冷卻為液相狀態(tài)后經(jīng)儲液罐流回磁力泵。數(shù)據(jù)采集裝置包括微細(xì)通道沿軸向溫度和進(jìn)出口壓力的采集傳輸，采用高速攝像機(jī)對微細(xì)通道中流動(dòng)工質(zhì)進(jìn)行記錄。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，具有重復(fù)性。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Diagram of experimental system

1.2 實(shí)驗(yàn)段

為實(shí)現(xiàn)電場與聲場的協(xié)同作用，實(shí)驗(yàn)段中電場由線狀電極產(chǎn)生，聲場由超聲波換能器產(chǎn)生，其中實(shí)驗(yàn)電場外加電壓范圍為0～800 V，超聲波換能器功率為12.5～50.0 W、頻率為23～40 kHz。微細(xì)通道實(shí)驗(yàn)段結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，為了便于液相蒸發(fā)后氣體排出，將實(shí)驗(yàn)段豎直放置，工質(zhì)沿豎直方向向上流動(dòng)。

圖2 實(shí)驗(yàn)段結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Diagram of experimental section structure

單個(gè)微細(xì)通道示意圖如圖3中圓框所示，微細(xì)通道板采用6061鋁合金材料加工，共有11個(gè)平行槽道，微細(xì)通道板寬度W為100 mm，長度L為220 mm，高度H為15 mm。單個(gè)微細(xì)通道的高度Hch和寬度Wch均為2 mm，肋寬Ww為4 mm。KEW等[15]提出受限準(zhǔn)數(shù)Co來區(qū)分通道類別，

圖3 微細(xì)通道示意圖Fig.3 Schematic diagram of microchannel

其中：σ為表面張力，0.016 253 mN/m；ρf為工質(zhì)液相密度，1 200.5 kg/m3；ρg為工質(zhì)氣相密度，6.657 1 kg/m3；g為重力加速度，9.81 m/s2；de為通道水力直徑，0.002 m。

本實(shí)驗(yàn)受限準(zhǔn)數(shù)Co為0.589，大于0.5，表明氣泡的受限效應(yīng)在通道內(nèi)比較明顯，本實(shí)驗(yàn)通道尺寸屬于微細(xì)通道。此外，微細(xì)通道尺寸選擇時(shí)要考慮物理參數(shù)測量，如流量測量，通道尺寸太小會導(dǎo)致流量無法測量。超聲波固定板安裝在進(jìn)出口腔體中，超聲波換能器被固定在換能器固定板上，本實(shí)驗(yàn)根據(jù)YU 等[7]的研究結(jié)果，超聲波換能器中心線與水平面夾角取為45°。

1.3 測溫點(diǎn)與測壓點(diǎn)

測溫點(diǎn)與測壓點(diǎn)分布示意圖如圖4(a)所示，其中，Pin和Pout分別為工質(zhì)進(jìn)口和出口壓力，Tin和Tout分別為工質(zhì)進(jìn)口和出口溫度，T1～T8表示工質(zhì)在微細(xì)通道沿程的4對上下測溫點(diǎn)溫度。實(shí)驗(yàn)段截面圖如圖4(b)所示，其中，Tup(T1，T3，T5，T7)和Tdw(T2，T4，T6，T8)分別表示上、下測溫點(diǎn)溫度，Tw,n為第n個(gè)測溫點(diǎn)處微細(xì)通道壁面溫度，δ為上測溫點(diǎn)至微細(xì)通道壁面的距離1.5 mm，Hw為上、下兩測溫點(diǎn)的距離，其值為29.5 mm。

圖4 測溫點(diǎn)與測壓點(diǎn)布置圖Fig.4 Layout of temperature measuring points and pressure measuring points

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理及誤差分析

2.1 質(zhì)量流率

實(shí)驗(yàn)段單個(gè)通道中的R141b的質(zhì)量流率G可以通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)測出實(shí)驗(yàn)段中R141b的體積流量V來計(jì)算，計(jì)算公式如下：

式中：ρ為R141b 密度，kg/m3；V為實(shí)驗(yàn)段中R141b 的體積流量，L/h；G為單個(gè)微細(xì)通道中R141b 的質(zhì)量流率，kg/(m2·s)；N為實(shí)驗(yàn)段中微細(xì)通道的數(shù)目；Wch為單個(gè)微細(xì)通道的寬度，m；Hch為單個(gè)微細(xì)通道的高度，m；d為電極絲直徑。

2.2 有效熱流密度

實(shí)驗(yàn)采用加熱板對鋁制基座進(jìn)行加熱，微細(xì)通道的熱流密度可通過加熱板的加熱功率進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為

式中：q為微細(xì)通道的熱流密度，W/m2；Q為加熱板的輸出功率，kW；S為微細(xì)通道實(shí)驗(yàn)段與加熱板接觸面積。

在實(shí)驗(yàn)過程中，不可避免地有部分能量以自然對流的方式從系統(tǒng)傳輸?shù)江h(huán)境中，因此，有必要對微細(xì)通道的有效熱流密度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為

式中：qeff為微細(xì)通道的有效熱流密度，W/m2；ε為熱損失率。

熱損失率計(jì)算公式為

式中：Qf為R141b 流過實(shí)驗(yàn)段過程中吸收的熱量，kW。

工質(zhì)R141b流過實(shí)驗(yàn)段過程中吸收的熱量計(jì)算公式為

式中：Cp為R141b 對應(yīng)工作壓力的比定壓熱容，kJ/(kg·K)；Tin和Tout分別為微細(xì)通道中R141b 進(jìn)口和出口溫度，℃。

為了檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)熱損失率是否符合實(shí)驗(yàn)要求，對系統(tǒng)進(jìn)行單相熱平衡實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)段的可視化玻璃窗口觀察微細(xì)通道內(nèi)工質(zhì)R141b是否為液體。熱損失率均值為0.15，單相熱平衡實(shí)驗(yàn)熱損失率較小，可以進(jìn)行兩相流動(dòng)沸騰實(shí)驗(yàn)。

2.3 傳熱系數(shù)

微細(xì)通道中工質(zhì)R141b傳熱分單相對流區(qū)、過冷沸騰區(qū)和飽和沸騰區(qū)，單相對流區(qū)傳熱方式主要為單相對流傳熱，傳熱能力較弱；過冷沸騰區(qū)傳熱方式為過冷沸騰傳熱，傳熱能力大幅提高；飽和沸騰區(qū)傳熱方式為核態(tài)沸騰傳熱。本文主要研究飽和沸騰區(qū)，需要計(jì)算單相對流區(qū)和過冷沸騰區(qū)、飽和沸騰區(qū)長度。單相對流區(qū)、過冷沸騰區(qū)和飽和沸騰區(qū)的對流換熱系數(shù)定義不一樣，單相對流區(qū)每一點(diǎn)溫度不一樣，按主流溫度來計(jì)算對流換熱系數(shù)，飽和沸騰區(qū)按工質(zhì)飽和溫度計(jì)算對流換熱系數(shù)。

單相對流區(qū)與過冷沸騰區(qū)長度之和為

式中：Lsp為微細(xì)通道中單相對流區(qū)與過冷沸騰區(qū)長度，m；Tsat為工質(zhì)R141b在對應(yīng)壓力下的飽和溫度，℃；Ww為微細(xì)通道肋寬，m。

飽和沸騰區(qū)長度為

式中：Ltp為微細(xì)通道中飽和沸騰區(qū)長度，m；L為微細(xì)通道長度，m。

工質(zhì)R141b的溫度為

式中：Tf(Z)為工質(zhì)R141b溫度，℃；Z為工質(zhì)R141與微細(xì)通道進(jìn)口的距離，m。

微細(xì)通道壁面溫度為

式中：Tw,n為第n個(gè)測溫點(diǎn)對應(yīng)的壁面溫度，℃；Tup,n為第n個(gè)上測溫點(diǎn)的溫度，℃；λ為基座材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；δ為上測溫點(diǎn)到微細(xì)通道壁面的距離，m。

實(shí)驗(yàn)段局部傳熱系數(shù)為

式中：hn為第n個(gè)測點(diǎn)的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；η為微細(xì)通道的肋片效率，

其中：m為微細(xì)通道的肋片參數(shù)，

2.4 傳熱強(qiáng)化因子

為了更直觀的研究有無外加物理場作用下微細(xì)通道飽和沸區(qū)流動(dòng)沸騰傳熱的強(qiáng)化效果，引入傳熱強(qiáng)化因子IUEF，計(jì)算公式如下：

式中：h為外部物理場作用下的平均飽和沸騰傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；h0為沒有外部物理場作用下的平均飽和沸騰傳熱系數(shù)，W/(m2·K)。

2.5 誤差分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差主要來自儀器測量誤差和數(shù)據(jù)處理誤差，其中數(shù)據(jù)處理誤差為計(jì)算參數(shù)誤差，儀器測量誤差為直接測量誤差。本實(shí)驗(yàn)采用測量范圍為4～40 L/h、精度為2.5%的DK800-6(F)轉(zhuǎn)子流量計(jì)測量流量；采用測量范圍為0～200 ℃、精度為0.2%的WRNK-191熱電偶測量溫度；采用測量范圍為0～100 kPa、精度為0.2%的QDW90A 壓力傳感器測量壓力。由于實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)子流量計(jì)在出廠之前，采用20 ℃的水作為標(biāo)定流量計(jì)刻度的介質(zhì)，因此，當(dāng)應(yīng)用于實(shí)際工質(zhì)R141b時(shí)，需要對原有的刻度重新標(biāo)定。假定出廠標(biāo)定所用液體與實(shí)際工作的液體流量系數(shù)相等，忽略黏度變化的影響，則工質(zhì)R141b的流量為

式中：ρr為轉(zhuǎn)子材料不銹鋼的密度，7 900 kg/m3；下標(biāo)1表示出廠標(biāo)定時(shí)所用的20 ℃的水；下標(biāo)2表示實(shí)際工作的R141b，標(biāo)定時(shí)工質(zhì)溫度約為18 ℃。

實(shí)驗(yàn)溫度傳感器選用K 型鎧裝熱電偶，因其冷端溫度不能保持在0 ℃，采用熱電偶的中間溫度定律式(17)并結(jié)合分度表查詢即可得到熱電偶測量端的實(shí)際溫度。

式中：E(T,T0)為熱電偶冷端溫度為T0時(shí)的熱電勢；E(T,Tn)為熱電偶冷端溫度為Tn時(shí)的熱電勢；E(Tn,T0)為熱電偶熱端溫度為Tn，冷端溫度為T0時(shí)的熱電勢。

直接測量值J1，J2，…，Jn在測量的過程中存在不確定度δ1，δ2，…，δn，而被測量R是直接測量值J1，J2，…，Jn的相關(guān)函數(shù)，R=f(J1，J2，…，Jn)，所以有必要對R的不確定度進(jìn)行計(jì)算。

R的相對不確定度為

由式(18)和式(19)可以計(jì)算得出間接物理量最大相對不確定度，如表1所示。

表1 間接物理量最大相對不確定度Table 1 Maximum relative uncertainty of indirect physical quantity

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 電場作用下微細(xì)通道的傳熱特性

電場電壓越高，電場強(qiáng)度越強(qiáng)，但電場強(qiáng)度在通道內(nèi)不同位置不同，無法用統(tǒng)一的電場強(qiáng)度描述，故采用電場電壓來區(qū)分不同工況。圖5所示為在質(zhì)量流率為231.82 kg/(m2·s)以及外加電場作用下，微細(xì)通道沿程傳熱系數(shù)曲線圖。從圖5(a)可知：在qeff為12.36 kW/m2時(shí)，第一、二、三對測點(diǎn)處的傳熱系數(shù)相差不大，第四對測點(diǎn)處的傳熱系數(shù)有了明顯的增大，這是因?yàn)榈诙?、三測溫點(diǎn)為過冷沸騰區(qū)，氣泡較少，電場對其強(qiáng)化傳熱效果并不明顯；而第四測溫點(diǎn)為飽和沸騰區(qū)，氣泡較多，電場強(qiáng)化傳熱效果顯著增強(qiáng)。從圖5(b)可知：當(dāng)qeff為20.48 kW/m2時(shí)，除第一對測溫點(diǎn)處的電場強(qiáng)化效果較差外，第二、三、四對測溫點(diǎn)處的電場強(qiáng)化效果較好。qeff由12.36 kW/m2提高到20.48 kW/m2時(shí)，第二、三測溫點(diǎn)由過冷沸騰區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡头序v區(qū)，產(chǎn)生的小氣泡數(shù)量更多，電場對其傳熱強(qiáng)化效果有了明顯提升。在電場電壓0～800 V 范圍內(nèi)，傳熱系數(shù)隨電場電壓升高而增大，在電場電壓800 V作用下第四對測溫點(diǎn)處的傳熱系數(shù)相對于無電場時(shí)提高了57.2%。這是因?yàn)樵谄渌麑?shí)驗(yàn)工況相同的條件下，隨著電壓增加，通道中氣泡周圍的電場強(qiáng)度分布得到增強(qiáng)，氣泡受到的電場力增加，電場對氣泡的動(dòng)力學(xué)作用變得更加劇烈，氣泡的擾動(dòng)增加，且受限氣泡在電場力的作用下受到擠壓，使氣泡與壁面之間的固有彎月面區(qū)向傳熱效果更好的彎月面薄液膜區(qū)轉(zhuǎn)變，強(qiáng)化傳熱效果大幅度提升。

圖5 電場作用下微細(xì)通道的沿程傳熱系數(shù)Fig.5 Heat transfer coefficient along microchannels under electric field

3.2 聲場作用下微細(xì)通道的傳熱特性

在超聲波功率為50 W、超聲波頻率為23 kHz、質(zhì)量流率G為231.82 kg/(m2·s)工況下，進(jìn)行流動(dòng)沸騰實(shí)驗(yàn)，得到2組不同熱流密度下的聲場作用下沿程傳熱系數(shù)，如圖6 所示。對比圖6(a)和(b)發(fā)現(xiàn)，提高有效熱流密度后，二、三點(diǎn)傳熱系數(shù)大幅度增大。這是因?yàn)橛行崃髅芏忍岣撸ǖ辣诿婊罨芏忍岣?，二、三點(diǎn)由單相對流階段轉(zhuǎn)變?yōu)檫^冷沸騰階段。由圖6 可知：在單獨(dú)聲場的作用下，傳熱能力得到提高，進(jìn)出口超聲波、進(jìn)口超聲波、出口超聲波強(qiáng)化效果依次減弱，在20.48 kW/m2有效熱流密度下，第四對測溫點(diǎn)處相對于無聲場，出口超聲波、進(jìn)口超聲波、進(jìn)出口超聲波作用下傳熱系數(shù)分別提高了20.10%，36.90%和50.48%。

圖6 聲場作用下微細(xì)通道的沿程傳熱系數(shù)Fig.6 Heat transfer coefficient along microchannels under ultrasonic field

超聲波的空化效應(yīng)能夠在微細(xì)通道飽和沸騰段促進(jìn)氣泡產(chǎn)生，使得核化密度增大，而聲流效應(yīng)能夠加快流體的流速，使得熱邊界層產(chǎn)生擾動(dòng)，減小熱阻，提升傳熱效率。微細(xì)通道中的超聲波使氣泡振動(dòng)，產(chǎn)生次級聲壓，增強(qiáng)氣泡前的聲壓，減弱氣泡后的聲壓[16]，沿工質(zhì)流動(dòng)方向，氣泡前的聲壓高于氣泡后的聲壓，形成一定的壓力差，在壓力差的作用下，氣泡受到聲場的主Bjerknes力從入口指向出口，加快氣泡的脫離頻率和運(yùn)動(dòng)速度，提高微細(xì)通道的傳熱效率。與進(jìn)口處和出口處的超聲波相比，進(jìn)出口處超聲波同時(shí)施加作用時(shí)，超聲波的波峰和波谷的絕對值更高，產(chǎn)生的聲壓差更大，超聲波的空化效應(yīng)會促進(jìn)氣泡在換熱壁上更易誘導(dǎo)成核，使氣泡數(shù)量增多，強(qiáng)化傳熱效果更好。

3.3 電場與聲場協(xié)同作用下微細(xì)通道的傳熱特性

將電場和聲場協(xié)同作用施加到微細(xì)通道上，電場通過設(shè)置電壓來調(diào)節(jié)，聲場通過設(shè)置超聲波的布置方式、超聲波功率和超聲波頻率來調(diào)節(jié)，研究兩者協(xié)同作用后的強(qiáng)化傳熱效果，實(shí)驗(yàn)工況見表2。圖7 所示為電場與聲場協(xié)同作用下微細(xì)通道的平均飽和沸騰傳熱系數(shù)。電場與聲場協(xié)同作用下傳熱系數(shù)隨著熱流密度增加而先增大后減小，在熱流密度較高時(shí)傳熱強(qiáng)化作用已基本不明顯，這是因?yàn)樵诟邿崃髅芏认?，氣泡的?shù)量明顯增多且受限氣泡長徑比變大，大量的氣泡在通道下游匯聚形成彈狀流，核態(tài)沸騰傳熱轉(zhuǎn)變?yōu)槟B(tài)沸騰傳熱，傳熱能力大幅度降低。

表2 流動(dòng)沸騰傳熱實(shí)驗(yàn)工況Table 2 Experimental conditions of flow boiling heat transfer

調(diào)節(jié)超聲波功率后傳熱系數(shù)曲線如圖7(a)所示。從圖7(a)可見：在qeff為9.66 kW/m2時(shí)，與沒有外加物理場的工況1 相比，工況4，5，6 和7的傳熱系數(shù)依次增加，分別增加85.6%，109.0%，99.7% 和120.8%。隨著功率從12.5 W 增加到50.0 W，傳熱系數(shù)曲線向上移動(dòng)，傳熱系數(shù)隨超聲波功率增大而增大，這是因?yàn)樵黾映暡üβ?，通道中超聲波分布的聲壓幅值會增加，而超聲波在氣泡前后形成的壓力差隨著功率增加而增加，在壓力差的推動(dòng)下，氣泡加速離開通道，換熱壁上的氣泡脫離頻率加快，從而提高了傳熱效果。

調(diào)節(jié)超聲波頻率后傳熱系數(shù)曲線如圖7(b)所示。從圖7(b)可見：在qeff為9.66 kW/m2下，與沒有外加物理場的工況1 相比，工況8，5，9 和7 的傳熱系數(shù)分別增加了89.9%，99.7%，111.1%和120.8%。23 kHz 頻率下的傳熱系數(shù)比40 kHz 下的大，其原因?yàn)楫?dāng)超聲波的頻率增加時(shí)，超聲波在氣泡周圍產(chǎn)生的聲壓在一個(gè)周期內(nèi)對氣泡的作用時(shí)間會變短，導(dǎo)致超聲空化效應(yīng)減弱[17]，因此，在電場與聲場協(xié)同作用時(shí)，低頻工況超聲波的傳熱系數(shù)要高于高頻工況超聲波的傳熱系數(shù)。

調(diào)節(jié)超聲波進(jìn)出口布置方式后傳熱系數(shù)曲線如圖7(c)所示。從圖7(c)可見：在qeff為9.66 kW/m2下，與沒有外加物理場的工況1相比，工況7，11，5 和10 的傳熱系數(shù)分別增加了120.8%，105.8%，99.7%和87.7%，電場和進(jìn)出口超聲波協(xié)同作用時(shí)的傳熱系數(shù)高于電場和進(jìn)口超聲波協(xié)同作用時(shí)的傳熱系數(shù)。

圖7 電場與聲場協(xié)同作用下微細(xì)通道的平均飽和沸騰傳熱系數(shù)Fig.7 Average saturation boiling heat transfer coefficient of microchannels under synergistic effect of electric field and ultrasonic field

采用COMSOL 軟件建立受限氣泡微細(xì)通道模型，微細(xì)通道寬為2 mm，長度為220 mm，并采用極細(xì)化網(wǎng)格對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型及網(wǎng)格圖如圖8 所示，網(wǎng)格數(shù)量為2 960 個(gè)。對有氣泡和無氣泡微細(xì)通道模型施加超聲波頻率為23 kHz，超聲波功率為50 W 的進(jìn)口聲場或進(jìn)出口同時(shí)施加聲場進(jìn)行仿真，微細(xì)通道軸向聲場分布如圖9 所示。圖9(a)所示為進(jìn)口施加超聲波無氣泡微細(xì)通道聲場軸向分布，超聲波分布呈現(xiàn)正弦波形式，聲壓幅值為17 000 Pa。圖9(b)所示為進(jìn)口和出口同時(shí)施加超聲波微細(xì)通道聲場軸向分布，聲壓幅值為32 810 Pa，比進(jìn)口施加超聲波聲場幅值大93%。圖9(c)所示為進(jìn)口和出口同時(shí)施加超聲波受限氣泡微細(xì)通道聲場軸向分布，聲場經(jīng)過受限氣泡時(shí)，聲壓迅速衰減，在受限氣泡后恢復(fù)原波形，聲壓幅值為9 162 Pa。

圖8 模型與網(wǎng)格劃分Fig.8 Model and meshing

圖9 微細(xì)通道軸向聲場分布Fig.9 Ultrasonic field distribution of microchannels axial

進(jìn)口超聲波與出口超聲波聲場發(fā)生疊加，聲壓幅值增大，導(dǎo)致超聲波對受限氣泡作用增強(qiáng)，受限氣泡長徑比減小，此時(shí)電場對氣泡強(qiáng)化傳熱作用增強(qiáng)，故電場與進(jìn)出口超聲波協(xié)同作用強(qiáng)化傳熱效果更好。

圖10 所示為傳熱強(qiáng)化因子隨熱流密度變化關(guān)系，圖中傳熱強(qiáng)化因子均大于1，說明外加物理場對微細(xì)通道具有強(qiáng)化傳熱效果。圖10(a)所示為不同外加物理場作用下傳熱強(qiáng)化因子隨熱流密度的變化，其中工況2為單獨(dú)電場、工況3為單獨(dú)聲場、工況7為電場與聲場協(xié)同。當(dāng)qeff為7.73 kW/m2時(shí)，工況2，3和7的傳熱強(qiáng)化因子分別為1.57，1.75和2.24，表明單獨(dú)聲場的強(qiáng)化效果大于單獨(dú)電場的強(qiáng)化效果，電場與聲場的協(xié)同強(qiáng)化傳熱效果大于單一物理場作用下的強(qiáng)化效果。相對于單獨(dú)電場，單獨(dú)聲場可以在換熱壁面微穴處激發(fā)活化點(diǎn)產(chǎn)生更多氣泡，而聲流效應(yīng)可以加快流體流速，破壞熱邊界層，使熱阻減小，從而使單獨(dú)聲場的強(qiáng)化效果比單獨(dú)電場的強(qiáng)。在電場與聲場協(xié)同作用時(shí)，聲場作用后受限氣泡的長徑比減小，聲場作用增強(qiáng)了電場的強(qiáng)化效果，故電場與聲場協(xié)同作用強(qiáng)化傳熱效果較單一物理場更好。圖10(b)所示為電場與聲場協(xié)同作用下超聲波功率變化產(chǎn)生的影響，其中工況6超聲波功率為12.5 W、工況7超聲波功率為50.0 W。當(dāng)qeff為7.73 kW/m2時(shí)，工況6和7的傳熱強(qiáng)化因子分別為2.11和2.24，表明在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，超聲波功率越高的強(qiáng)化傳熱效果越好。圖10(c)所示為電場與聲場協(xié)同作用下超聲波頻率變化產(chǎn)生的影響，其中工況7 超聲波頻率為23 kHz、工況9 超聲波頻率為40 kHz。當(dāng)qeff為7.73 kW/m2時(shí)，工況7和9的傳熱強(qiáng)化因子分別為2.24和2.15，表明在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，超聲波頻率低的工況強(qiáng)化傳熱效果更好。圖10(d)所示為電場與聲場協(xié)同作用下超聲波布置方式變化產(chǎn)生的影響，其中工況7為進(jìn)出口同時(shí)施加超聲波、工況11 只在進(jìn)口施加超聲波。當(dāng)qeff為7.73 kW/m2時(shí)，工況7 和11 的傳熱強(qiáng)化因子分別為2.24和2.07，表明電場與聲場協(xié)同作用中進(jìn)出口同時(shí)施加聲場強(qiáng)化傳熱效果比只在進(jìn)口施加聲場的好。

圖10 傳熱強(qiáng)化因子隨熱流密度變化關(guān)系Fig.10 Relationship between heat transfer enhancement factor and heat flux

3.4 微細(xì)通道在外加物理場條件下流動(dòng)沸騰可視化分析

圖11 所示為4 種工況下微細(xì)通道內(nèi)受限氣泡高速攝像圖，相鄰幀間隔時(shí)間為5 ms。其中單獨(dú)電場工況為電場外加電壓800 V；單獨(dú)聲場工況為超聲波在進(jìn)出口同時(shí)施加、23 kHz 頻率、50 W 功率；電場與聲場協(xié)同工況為電場外加電壓800 V，超聲波在進(jìn)出口同時(shí)施加、23 kHz 頻率、50 W功率。4種工況下qeff均為14.68 kW/m2，G均為115.91 kg/(m2·s)。受限氣泡的長徑比在無外加物理場、單獨(dú)電場、單獨(dú)聲場、電場和聲場協(xié)同作用下依次減小，分別為3.27，2.62，2.26 和1.83，對應(yīng)的傳熱強(qiáng)化因子分別為1.00，1.44，1.55 和1.87，受限氣泡長徑比越小，傳熱強(qiáng)化因子越高。電場作用下小氣泡分布比例增多，電場對受限氣泡產(chǎn)生介電電泳力，使氣泡收縮，導(dǎo)致電場作用下受限氣泡長徑比減小。聲場作用下的受限氣泡長徑比減小主要是因?yàn)槌暡ㄕ?fù)壓使換熱壁面凹腔核化點(diǎn)更容易活化，出現(xiàn)柱狀小氣泡脫離，脫離頻率增大，使不同直徑小氣泡數(shù)量分布發(fā)生變化，結(jié)合聲場作用下氣泡之間的次級Bjerknes力，阻礙小氣泡相互靠近并融合在一起[18-21]，導(dǎo)致小直徑氣泡的數(shù)量分布增多，在單位面積總傳熱量一定的實(shí)驗(yàn)條件下，大直徑的氣泡生成概率減小，導(dǎo)致受限氣泡的長徑比減小。當(dāng)電場和聲場協(xié)同作用時(shí)，聲場作用會使受限氣泡的長徑比減小，電場對長徑比較小的氣泡強(qiáng)化效果明顯，兩者協(xié)同作用可有效提升微細(xì)通道強(qiáng)化傳熱能力。當(dāng)氣泡數(shù)量較多，氣泡形態(tài)處于長徑比較小的受限氣泡時(shí)最有利于傳熱強(qiáng)化。

圖11 不同工況下受限氣泡高速攝像圖Fig.11 High-speed imaging of restricted bubbles under different working conditions

對可視化視頻中流經(jīng)微細(xì)通道的受限氣泡出現(xiàn)的頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在觀察窗口內(nèi)，放慢20 倍后總時(shí)長為1′34″持續(xù)視頻中，無外加物理場、單獨(dú)電場、單獨(dú)聲場、電場與聲場協(xié)同作用4種工況下受限氣泡出現(xiàn)次數(shù)分別為11，16，17 和20 次，即受限氣泡出現(xiàn)頻率為2.4，3.4，3.6 和4.2 次/s。在本實(shí)驗(yàn)工況范圍內(nèi)，受限氣泡長徑比越小，受限氣泡出現(xiàn)頻率越高，強(qiáng)化傳熱能力越強(qiáng)。

圖12所示為電場與聲場協(xié)同作用下微細(xì)通道內(nèi)小氣泡高速攝像圖，相鄰幀間隔時(shí)間為5.364 ms，qeff為9.66 kW/m2，G為115.91 kg/(m2·s)。由圖12可知：在電場與聲場協(xié)同作用下，從第2幀圖像開始，氣泡被壓迫在換熱壁面上做抖動(dòng)，氣泡的形狀發(fā)生了一定的變化，在第5幀圖像后逐步恢復(fù)原狀，在48.276 ms 內(nèi)氣泡在壁面上抖動(dòng)(壓迫后復(fù)原)3 次，氣泡的抖動(dòng)能夠加快冷流體與熱流體之間的混合速度，提升了強(qiáng)化傳熱效率。

圖12 電場和聲場協(xié)同作用下小氣泡高速攝像圖Fig.12 High-speed imaging of small bubbles under synergistic effect of electric field and ultrasonic field

有效強(qiáng)化傳熱熱流密度定義為傳熱強(qiáng)化因子大于1.4 的熱流密度。圖13(a)所示為G為115.91 kg/(m2·s)下外部物理場作用傳熱強(qiáng)化因子圖，單獨(dú)電場作用的有效強(qiáng)化傳熱熱流密度為7.73～14.68 kW/m2，單獨(dú)聲場作用的有效強(qiáng)化傳熱熱流密度為7.73～16.61 kW/m2，電場與聲場協(xié)同作用下有效強(qiáng)化傳熱熱流密度為7.73～22.80 kW/m2。圖13(b)所示為G為231.82 kg/(m2·s)下外部物理場作用傳熱強(qiáng)化因子圖，單獨(dú)電場作用的有效強(qiáng)化傳熱熱流密度為7.73～16.61 kW/m2，單獨(dú)聲場作用的有效強(qiáng)化傳熱熱流密度為7.73～20.48 kW/m2，電場與聲場協(xié)同作用下有效強(qiáng)化傳熱熱流密度為7.73～22.80 kW/m2。與單獨(dú)電場、單獨(dú)聲場相比，2種質(zhì)量流率下電場與聲場協(xié)同作用后有效強(qiáng)化傳熱熱流密度范圍均明顯增大。其原因如下：當(dāng)單獨(dú)施加電場時(shí)，在較高的熱流密度下，通道中出現(xiàn)拉長的受限氣泡，電場對拉長的受限氣泡幾乎沒有作用，此時(shí)強(qiáng)化傳熱效果很差，而在電場和聲場協(xié)同作用之后，受限氣泡的長徑比減小，此時(shí)微細(xì)通道在較高熱流密度的傳熱效果得到改善，有利于增大微細(xì)通道的有效強(qiáng)化傳熱熱流密度范圍。與單一物理場相比，2種質(zhì)量流率中質(zhì)量流率低的電場與聲場協(xié)同作用后有效強(qiáng)化傳熱熱流密度范圍增大幅度更大。這是因?yàn)榕c較高質(zhì)量流率相比，在相同熱流密度的情況下，質(zhì)量流率較低通道的飽和沸騰區(qū)域長度較長，單獨(dú)電場與單獨(dú)聲場強(qiáng)化傳熱能力較弱，故電場與聲場協(xié)同作用后有效強(qiáng)化傳熱熱流密度范圍增大幅度更大。

圖13 外加物理場作用下傳熱強(qiáng)化因子圖Fig.13 Heat transfer enhancement factor diagram under the action of external physical field

3.5 氣泡受力分析

微細(xì)通道中氣泡在電場和聲場的協(xié)同作用下受到的外力主要是電場力Fe、聲場力Fu和流體力FL。氣泡在非均勻電場作用下由于介電極化受到力的作用發(fā)生運(yùn)動(dòng)，氣泡所受到的力為介電電泳力，POHL[22]推導(dǎo)出了氣泡在電場中的介電電泳力Fe為

式中：R為氣泡的半徑；ε1與ε2分別為氣泡所處工質(zhì)的介電常數(shù)和氣泡的介電常數(shù)。

工質(zhì)氣相的介電常數(shù)要大于液相的介電常數(shù)，則介電電泳力與電場強(qiáng)度的梯度方向一致，即介電電泳力的方向指向電場強(qiáng)度減小的方向。在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生電場的電極附近的電場強(qiáng)度明顯高于換熱壁面附近的電場強(qiáng)度，氣泡所受電場力指向換熱壁面。

作用于氣泡的主Bjerknes 力Fu計(jì)算公式如下[23]：

式中：f為超聲波頻率；PA為聲壓幅值；c為聲速；R(t)為任意時(shí)刻的半徑；z為距聲源的位置(聲波傳輸方向)。

流體作用在氣泡上的力主要有2個(gè)，一是由于流體的黏度，工質(zhì)的速度從通道中間到換熱壁面不斷減小，這將導(dǎo)致氣泡形成指向換熱壁面的側(cè)向力Fr[24]；另一個(gè)是在氣泡的彎月面區(qū)，由于毛細(xì)力的作用，會在氣泡前后形成一定的渦流，渦流對氣泡的作用力Fw指向線狀電極，當(dāng)氣泡靠近壁面時(shí)，彎月面區(qū)的溫度梯度會增大，這會使電場的電對流效應(yīng)更加劇烈，渦流對氣泡的作用力增大，隨著氣泡遠(yuǎn)離壁面，渦流作用力Fw明顯減小。

渦流作用力的計(jì)算公式如下[25]：

式中：CL為一定值；Vb為氣泡體積；μrel為氣泡相對流體的速度；ω為渦量。

圖14 所示為電場與聲場協(xié)同作用下微細(xì)通道內(nèi)小氣泡受力情況。在工質(zhì)流動(dòng)的方向上，由于聲場的聲流效應(yīng)，通道截面處的速度梯度會增加，氣泡指向壁面的側(cè)向力Fr會增加，此外，氣泡受到向上的聲場力Fu，加速氣泡的運(yùn)動(dòng)，氣泡與流體的速度差減小，渦輪力Fw會在一定程度上減小，氣泡在垂直流動(dòng)方向上指向換熱壁的合力增大，擠壓氣泡靠近換熱壁面。當(dāng)氣泡靠近壁面時(shí)，渦流對氣泡的作用力增大，又使得氣泡遠(yuǎn)離壁面。如圖10 所示，電場與聲場協(xié)同作用下氣泡在壁面上抖動(dòng)(壓迫后復(fù)原)向上運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)冷熱流體混合，提高傳熱效果。

圖14 電場和聲場協(xié)同作用下小氣泡受力分析Fig.14 Force analysis of small bubbles under synergistic effect of electric field and ultrasonic field

圖15 所示為電場與聲場協(xié)同作用下微細(xì)通道內(nèi)受限氣泡受力情況，受限氣泡氣液界面受到蒸氣壓力P、液體作用力、表面張力、電場力Fe、聲場作用力Fu。氣泡在向上運(yùn)動(dòng)的過程中不斷吸熱，氣泡蒸氣壓力P不斷增大，氣液界面上的合力方向指向壁面，受限氣泡靠近壁面，導(dǎo)致彎月面薄液膜區(qū)域曲率變小，彎月面薄液膜區(qū)域熱阻小，傳熱效率最好，故傳熱效果得到了提升。

圖15 電場和聲場協(xié)同作用下受限氣泡受力分析Fig.15 Force analysis of restricted bubbles under synergistic effect of electric field and ultrasonic field

4 結(jié)論

1) 單獨(dú)電場與單獨(dú)聲場在有效強(qiáng)化熱流密度范圍內(nèi)對微細(xì)通道傳熱均有強(qiáng)化效果。在單獨(dú)電場作用下，電壓在200～800 V范圍內(nèi)，傳熱系數(shù)隨電壓增大而增大；而在單獨(dú)聲場作用下的傳熱系數(shù)與超聲波換能器的布置位置有關(guān)，強(qiáng)化傳熱效果從小到大依次為出口超聲波、進(jìn)口超聲波和進(jìn)出口超聲波。

2) 電場和聲場的協(xié)同作用強(qiáng)化傳熱效果要比單個(gè)物理場作用下的傳熱強(qiáng)化效果更強(qiáng)。在本文實(shí)驗(yàn)工況下，電場電壓為800 V、聲場功率為50 W、頻率為23 kHz 的進(jìn)出口同時(shí)施加超聲波，具有最好的相變傳熱協(xié)同效果，傳熱強(qiáng)化因子最大，為2.24。單獨(dú)電場外部電壓800 V工況下傳熱強(qiáng)化因子最大為1.57，單獨(dú)聲場功率為50 W，頻率為23 kHz，進(jìn)出口同時(shí)施加超聲波工況下傳熱強(qiáng)化因子最大為1.75。電場與聲場協(xié)同作用過程中進(jìn)出口施加超聲波比只有進(jìn)口施加超聲波的強(qiáng)化傳熱效果強(qiáng)。

3) 與單獨(dú)電場、聲場相比，電場和聲場協(xié)同作用后，受限氣泡長徑比減小，在觀察窗口單位時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)頻率增大，強(qiáng)化傳熱能力增強(qiáng)。在質(zhì)量流率為115.91 kg/(m2·s)和有效熱流密度為14.68 kW/m2條件下，單獨(dú)電場(外加電壓為800 V)、單獨(dú)聲場(功率為50 W，頻率為23 kHz，進(jìn)出口同時(shí)施加超聲波)、電場與聲場協(xié)同作用(電場外加電壓為800 V，超聲波功率為50 W，超聲波頻率為23 kHz，進(jìn)出口同時(shí)施加超聲波)3種工況下受限氣泡的長徑比分別為2.62，2.26和1.83，受限氣泡在窗口出現(xiàn)頻率分別為3.4，3.6和4.2次/s。聲場作用使受限氣泡長徑比減小，電場對小長徑比的受限氣泡有明顯強(qiáng)化傳熱作用，兩者結(jié)合使得電場與聲場協(xié)同作用下強(qiáng)化傳熱能力得到有效提升。

4) 電場與聲場協(xié)同作用使通道的有效強(qiáng)化傳熱(傳熱強(qiáng)化因子大于1.4)熱流密度范圍增大，在質(zhì)量流率為115.91 kg/(m2·s)時(shí)，單獨(dú)電場(外加電壓為800 V)有效強(qiáng)化傳熱熱流密度范圍為7.73～14.68 kW/m2，單獨(dú)聲場(功率為50 W，頻率為23 kHz，進(jìn)出口同時(shí)施加超聲波)有效強(qiáng)化傳熱熱流密度范圍為7.73～16.61 kW/m2，電場與聲場協(xié)同作用(電場外加電壓為800 V，超聲波功率為50 W，超聲波頻率為23 kHz，進(jìn)出口同時(shí)施加超聲波)有效強(qiáng)化傳熱熱流密度范圍為7.73～20.48 kW/m2。