中文摘要：

本研究提出了使用竖直细小通道内高速空气-过冷水非沸腾气液环状两相流用于低壁温,高热负荷条件下的紧凑型换热装置(例如质子交换膜型燃料电池和微电子机械系统)高效冷却的一种新方法.用系统的实验测量和数值模拟计算相结合的方法研究双工质气液环状两相流的液膜稳定条件以及气液间对流-蒸发耦合传热特性.确定流路几何条件,流动条件和加热条件对两相流流型,压降,壁温分布和水蒸发速率等传热传质特性的影响.从理论和实验两方面掌握细小通道内非沸腾气液环状两相流的流动和强化换热规律.提供这一冷却方法在实际应用中的设计参考.

结论摘要：

本研究对竖直细小传热管内高速氮气-过冷水环状两相流流动与传热特性进行了实验研究和理论简化推导和数值模拟计算。园管、方管和正三角形3种管型被使用。管长和水力当量直径分别为400 mm和2.3 mm， 氮气流速变化范围在10-40 m/s左右。入口初始氮气和水温变化范围在20 ℃-60 ℃。壁面热流密度变化范围1 kW/m2-100 kW/m2. 实验探讨了各种气液流动条件，加热条件等系统参数对环状两相流传热传质特性的影响。实验结果证明竖直传热管内环状两相流表现出优异的强化换热特性。适用于高热流密度，低壁温的冷却条件。在加热条件和几何条件大幅度变化的情况下次，壁温变化幅度不大，基本能够稳定的保持在80℃以下。在管入口段附近，对流换热占主导地位，管壁温有一个较快的增长，在其他的大部分区域，蒸发换热占主导地位，管壁温基本不变。这种换热特性十分适合于离子交换膜燃料电池的高效冷却。管子的截面形状对换热特性影响不大，可以用水力当量直径统一作为特性尺寸。数值计算模型采用了2维和3为模型分别处理圆形管和异形管。对纯蒸发换热和蒸发-对流耦合换热分别进行了模拟计算。实验结果和计算结果十分吻合。