[论文解读] Conjugate heat transfer effects on flow boiling in microchannels

F. Municchi, Ismail El Mellas+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2022

Heat Transfer and Boiling Studies被引用 4

一句话总结

本研究利用自定义的VOF和相变模型，在OpenFOAM中研究了非圆形微通道中流动沸腾的共轭传热效应。结果表明，尽管努塞尔数略有降低，低长宽比通道（ε < 1）仍能实现更低的蒸发器基底温度，这是由于热阻减小所致，凸显了固相导热在微通道蒸发器系统级性能优化中的关键作用。

ABSTRACT

This article presents a computational study of saturated flow boiling in non-circular microchannels. The unit channel of a multi-microchannel evaporator, consisting of the fluidic channel and surrounding evaporator walls, is emulated and the conjugate heat transfer problem is solved. Simulations are performed using OpenFOAM v2106 and the built-in geometric Volume Of Fluid method, augmented with self-developed libraries to include liquid-vapour phase-change and improve the surface tension force calculation. A systematic study is conducted by employing water at atmospheric pressure, a channel hydraulic diameter of Dh = 229 um, a uniform base heat flux of qb = 100kW/m2, and by varying the channel width-to-height aspect-ratio and channel fin thickness in the range AR = 0.25-4 and Wf = Dh/8-Dh, respectively. The effects of conjugate heat transfer and channel aspect-ratio on the bubble and evaporative film dynamics, heat transfer, and evaporator temperature are investigated in detail. This study reveals that, when the flow is single-phase, higher Nusselt numbers and lower evaporator temperatures are achieved for AR &lt; 1. In the two-phase flow regime, the trends of the Nusselt number versus the aspect-ratio are mixed, although for smaller channel fins an ascending trend of Nu for increasing aspect-ratios is apparent. Nonetheless, due to conjugate heat transfer, Nusselt numbers and evaporator base temperatures follow different trends when varying the aspect-ratio, and channels with AR &lt; 1 seem to promote lower evaporator temperatures than higher aspect-ratio conduits, despite exhibiting slightly worse two-phase convective heat transfer performances.

研究动机与目标

• 分析共轭传热和通道长宽比对微通道流动沸腾的影响。
• 研究通道几何形状（长宽比ε和鳍片宽度Wf）对气泡动力学、液膜形态及传热性能的影响。
• 确定能够最小化蒸发器基底温度并最大化传热效率的最优通道构型。
• 评估在均匀热流密度条件下，多微通道蒸发器中固体导热、两相流动力学与传热之间的相互作用。
• 通过解析流体动力学与热阻之间复杂耦合关系，为高性能微通道散热器提供基于物理机制的设计指南。

提出的方法

• 采用OpenFOAM v2106进行数值模拟，使用几何体积分数（VOF）方法追踪气液界面。
• 自研库被用于改进表面张力力计算，并准确模拟液-汽相变过程。
• 将单个单元通道及其周围蒸发器壁面建模为三面加热系统，热量通过固体壁面导热和流体-固体界面的对流传递。
• 研究保持水力直径（Dh = 229 μm）、基底热流密度（qb = 100 kW/m²）和质量通量恒定，水处于大气压（Tsat = 100 °C）下。
• 长宽比ε在0.25至4之间变化，鳍片宽度Wf在Dh/8至Dh之间变化，壁面采用亲水条件。
• 通过努塞尔数（Nu）和蒸发器基底温度评估传热性能，重点关注液膜厚度和干斑形成模式。

实验结果

研究问题

• RQ1 共轭传热如何影响微通道流动沸腾中通道长宽比与传热性能之间的关系？
• RQ2 改变通道宽度与高度长宽比（ε）对非圆形微通道中气泡动力学和液膜形态有何影响？
• RQ3 为何ε < 1的构型在两相流中尽管努塞尔数较低，却能实现更低的蒸发器基底温度？
• RQ4 壁面液膜厚度和干斑如何影响局部与平均传热系数？
• RQ5 固体壁面热阻在多大程度上主导系统级性能，从而超越流体侧传热趋势？

主要发现

• 在单相流中，低长宽比通道（ε < 1）的努塞尔数升高，蒸发器基底温度降低，这是由于垂直壁面在对流换热中贡献增强所致。
• 在两相流中，努塞尔数随长宽比的变化趋势不一，但对于较窄的鳍片宽度（Wf），随着ε增大，Nu呈现上升趋势。
• 尽管努塞尔数略低，ε < 1的构型仍因共轭传热导致的整体热阻减小，而实现更低的蒸发器基底温度。
• 低ε通道中较宽的壁面形成薄液膜，但这些液膜易发生脱湿和干斑，从而降低传热效率。
• 在高长宽比下，由于气泡生长更快，液膜更厚，更能抵抗干斑形成，从而维持更高的局部传热速率。
• 固体导热、气泡动力学与液膜形态之间的相互作用导致传热系数与基底温度之间出现矛盾趋势，因此在缺乏系统级建模的情况下，无法适用通用优化规则。