壁面微細構造によるマイクロチャンネル内沸騰流安定化・伝熱特性向上

由于壁微结构，微通道内沸腾流动稳定并改善传热特性

基本信息

批准号：
11J00283
负责人：
山本憲
金额：
$ 1.22万
依托单位：
Tokyo Metropolitan University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2011
资助国家：
日本
起止时间：
2011 至 2013
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究は、マイクロチャンネル内沸騰流の安定化及び伝熱特性を向上させることを目的としている。平成24年度までの研究によって、スラグ流の場合には流動の安定性は流速およびTジャンクション(沸騰流の場合にはnucleation cavity)に依存することが明らかになっており、これらの条件が理想的でない場合においてより安定性の高い流動を得るためには流動形態を気泡流へと転換させる必要があると考えられる。そこで平成25年度は、生成気泡の大きさを制御することによって従来は困難であった気泡流をマイクロチャンネル内で得ることを可能とするべく、機能性壁面によって気泡離脱メカニズムを変化させることを目的として研究を行った。本年度は鋸歯状壁面から生成される気泡をマイクロスコープと高速度カメラにより可視化する実験を行った。鋸歯状壁面は開口角が30°、60°、90°、120°の4種類を用意し、更に比較のために平滑面から生成される気泡の可視化も行った。気泡は、鋸歯状壁面を炭酸水中に沈めることによって壁面上から自発的に生成されるものを撮影した。また、撮影は壁面の側面方向及び上面方向の2方向から行い、発泡点の3次元的な座標を取得した。更に、壁面上方から顕微鏡によるスキャンを行うことで各発泡点におけるnucleation cavityの直径を測定した。実験と理論解析の結果、鋸歯状壁面からは平滑面から生成される気泡とは異なる気泡離脱メカニズムが観察された。これは、(a)壁面の傾斜による浮力と表面張力のバランスの変化、(b)気泡が成長しうる空間の壁面による物理的な制限、(c)鋸歯の先端部、という3種類の影響があることが明らかになった。また、これによって気泡は平滑面の場合と比較して約30%程度の直径で壁面を離脱することが可能となり、また気泡離脱周期も大幅に短縮することが可能となった。

本研究旨在提高微通道内沸腾流的稳定性和传热性能。截至2012财年的研究表明，在段塞流的情况下，流动的稳定性取决于流速和T形接头（沸腾流情况下的成核腔），并且这些条件是理想的情况。并非如此，认为有必要将流动形式转换为气泡流，以获得更稳定的流动。因此，在2013年度，我们的目标是通过使用功能性壁来改变气泡分离机制，以便能够在微通道内获得气泡流动，这在以前通过控制产生的气泡的尺寸来实现是很困难的。今年，我们进行了一项实验，使用显微镜和高速相机观察锯齿壁产生的气泡。准备了张角为30°、60°、90°和120°的四种锯齿壁表面，并且为了比较，还对光滑表面产生的气泡进行了可视化。通过将壁表面浸入碳酸水中来拍摄从锯齿状壁表面自发产生的气泡。另外，从墙的侧面和顶面两个方向拍摄照片，获得泡点的三维坐标。此外，通过用显微镜从壁表面上方扫描来测量每个泡点处的成核腔的直径。作为实验和理论分析的结果，我们观察到气泡从锯齿状壁分离的机制与从光滑表面产生的气泡分离的机制不同。这是由于三种类型的影响：（a）由于壁的坡度而导致浮力和表面张力之间的平衡发生变化，（b）壁在气泡可以生长的空间中施加的物理限制，以及（c）锯齿的尖端变得清晰起来。另外，与光滑表面的情况相比，气泡能够以约小30％的直径离开壁面，并且还能够显着缩短气泡脱离时间。