2数值模拟结果与分析

2.1模型可靠性验证

通道内沿流动方向依次出现的流型如图2所示，图2a为σ=0.059 N·m⁻¹(纯水)条件下，数值计算得到的微通道内汽液两相呈现的流型。不难看出：沿流动方向依次出现泡状流(汽泡呈球形)、弹状流(汽泡呈前端椭球，中间圆柱体，尾端近扁平状)和拉伸汽泡流(汽泡在微通道内受限，呈拉伸的柱形)3种流型。这与通过沸腾试验得到的490μm矩形通道内观测段的流型及汽泡形态(图2b)一致。此外，数值模拟结果还与其他文献中的试验结果进行比对，结果表明：计算模型与数值方法可行，计算结果与试验数据吻合较好。

图2通道内沿流动方向依次出现的流型

2.2汽泡演变与流型发展

首先从汽泡在微通道的演变与流型发展的特征入手，讨论不同表面张力下，矩形微通道内沿流动方向的汽液两相分布变化的差异。图3a给出了σ分别为0.035,0.045,0.059 N·m⁻¹时各自的汽泡演变与流型发展的计算云图(t=40 ms)，图3b为汽泡脱离壁面后的3种不同的聚并现象，I,II,III分别对应于刚脱离加热壁面的小汽泡之间的聚并、较大尺寸汽泡与壁面上尚未脱离或刚脱离的小汽泡之间的聚并、尺寸相当的汽弹或拉伸汽泡之间的聚并。

随着脱离壁面的汽泡在通道中的成长、聚并，汽相分布呈现不同的特征，从入口至出口，3种表面张力均依次呈现泡状流、弹状流与拉伸汽泡流等汽液两相流型的发展规律，图3a中，0-1为泡状流，1-2为弹状流，2-3为拉伸汽泡流。经比较发现，σ=0.035 N·m⁻¹时，通道内1-2阶段持续时间最长(从距离入口7.0 mm处持续到14.5 mm)。相对而言，σ越小，弹状流转变为拉伸汽泡流的节点越滞后。在拉伸汽泡流阶段，比较σ分别为0.035,0.059 N·m⁻¹，单个拉伸汽泡的长度缩短近1/2；σ=0.059 N·m⁻¹时，汽泡会发生图3b III所示的大汽泡间聚并。可以发现：σ不同，微通道内汽泡演变和汽液两相流型发展有所差异，σ越小，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，较长的拉伸汽泡充塞通道对维持汽液两相流动的稳定性不利。

图3微通道内沿流动方向的流型发展图(t=40 ms)

2.3汽液两相流动的稳定性研究

2.3.1汽液两相的不稳定流动特征

汽液两相流动的不稳定会导致其换热不稳定，造成通道壁面局部换热恶化，影响器件的安全运行。因此，研究通道内的流动沸腾建立在汽液两相流动的基础上，就微通道而言，汽液两相流动的稳定性问题尤为突出。通道内汽、液相的流速分布可反映沸腾过程中两相流动的稳定性，图4a,c分别给出距离出口0~5 mm处微通道内的速度分布、汽相分布云图。

图4距微通道出口0~5mm处的速度与汽相分布云图(σ=0.045 N·m⁻¹,t=40 ms)

从图4a,b可以看出：通道内液相流速为1.4~2.0 m·s⁻¹，汽相流速为2.0~2.5 m·s⁻¹；通道内汽相因体积膨胀推动汽液两相流动，汽液两相流速沿流动方向均不断增大。从图4a中I处的速度等值线图(图4b)可以看出：汽相在通道中心的流速最高，达2.5 m·s⁻¹，中心附近的速度梯度小，而近壁区速度梯度较大，其中，最靠近壁面处汽相速度甚至低于0.5 m·s⁻¹。

图4中汽液两相速度分布不均的原因：汽泡与通道尺寸在同一量级，汽泡对流动扰动增强，且随着汽泡的急剧生长，当汽泡大小达到微通道尺寸，汽泡堵塞通道，阻碍汽液两相的正常流动，即发生汽塞现象。汽液两相流动不稳定现象如图5所示。

图5汽液两相流动不稳定现象

小汽泡的运动在流体中形成扰动和局部漩涡现象，造成局部流速增大(图4b虚线处流速高于2.0 m·s⁻¹的部分)；对照图5b，发生汽塞现象时，汽泡充满通道，汽相在近壁区出现局部滞留，阻碍来流的流动，汽泡尾部汽液界面附近流速降低(图4b虚线处流速突然低于1.5 m·s⁻¹)，明显低于汽相内部流速。汽泡运动造成的扰动、漩涡和汽塞及相应的汽液两相速度分布不均是汽液两相流流动不稳定的主因。

2.3.2表面张力对汽液两相流动的影响

通道进出口汽液两相的总体压降Δp常作为衡量流动是否稳定的标准。σ分别为0.035,0.045,0.059 N·m⁻¹时，通道进出口压降Δp随时间的变化曲线如图6所示。20 ms之后，微通道内的汽液两相流进入相对稳定的充分发展状态，在20~60 ms的时间间隔内，3种表面张力对应的Δp的波动范围分别为2.8~6.3,2.0~6.7,1.8~7.4 kPa。σ=0.035 N·m⁻¹时，Δp波动幅度最小，与σ=0.059 N·m⁻¹相比，Δp波幅减小约2.1 kPa。可以认为，减小表面张力σ，汽液两相的压降波动幅度减小，汽液两相流的流动稳定性提高。

图6进出口流动压降随时间的变化曲线