传热传质学编号：123601中国工程热物理学会学术会议论文振动条件下矩形毛细微槽中液膜变形规律的实验研究郭朝红I,胡学功I,曹薇込 唐大伟I(1.中国科学院工程热物理研究所，北京100190; 2.中国科学院研究生院，北京100039 )(Tel: 010-82543022, Email: xuegonghu@iet. cn)摘 要 木文对竖直振动条件下炬形毛细微槽中三相接触线的变形情况进行了硏究槽宽为020.4mm, 槽深为0.6mmo振动频率为6Hz、10Hz、30Hz,振幅为2.92-3.97mmo微槽群热沉竖直固定在振动平 台上，利用高速摄像仪对不同振动条件下微槽内液膜的振荡现象进行观测研究结果表明，当微槽竖 直向上运动时，槽内渐缩接触线被明显拉长H蒸发薄液膜区域扩大;当微槽竖直向下运动时，渐缩接 触线缩短，蒸发薄液膜区域缩小：振幅或振动频率增大时，渐缩接触线的变形更明显关键词 微槽群热沉：三相接触线；液膜；振动0前言矩形毛细微槽群热沉内，液体丁质可以在固液汽三相接触线附近扩展弯月面的薄液 膜区域产生高强度的蒸发，能够被用来实现极高传热系数和热通星的换热过程，在航天 器、激光器和电了设备等方面具有很广泛的应用前景。
到目前为止，很多研究成果表明, 微结构热沉的热负荷会使液膜产生周期性的振荡例如：Presis等⑴发现蒸发薄液膜区 域的热负荷的变化将引起液膜区域的不稳定，进而导致拥有该结构的换热设备的换热性 能受到彫响Pratt等121对热管内蒸发薄液膜的稳定性进行了基础研究，发现在较低的 热负荷条件下，蒸发薄液膜的振荡能够使热交换器的换热性能提高18%；但当热负荷提 高到一定程度后，换热器的换热性能下降C. Buffone等⑶对热管内弯月面的润湿性 能进行了研究，认为温度梯度造成的热毛细力会导致弯月瓯失稳振荡G. Hetsroni等⑷ 发现毛细管外壁而的加热热流密度对具有弯月面的管内流动的稳定性有很大影响：热流 密度较小时，管内流动稳定，弯月面位置保持不变；热流密度增大，形成弯月面振荡的 不稳定流动Zheng151和Panchamgam[6]等对戊烷在石英玻璃I叫路内所形成的蒸发薄液膜 的稳定性和不稳定性进行了实验研究，他们发现当热负荷达到一定值Z后，液膜开始振 动到目前为止，对薄液膜蒸发特性的研究内容已经十分丰富，但大多研究是在静止或 者半静止的条件下进行的，尚无对在外力振动以及加载高负荷条件下，开放式矩形毛细 微槽群的液膜振动规律进行研究。
在实际情况中，由于颠振等机械力的存在，微槽内液 膜发生振荡，会影响微冷系统换热特性，进而导致电子设备故障为了使毛细驱动力的 微细结构能够安全可靠的应用于有振动的恶劣环境条件下，很有必要对液膜振荡现象进 行研究木文对矩形毛细微槽群热沉结构，在外力振动条件下，矩形毛细微槽内三相接 触线的变形规律进行T实验研究基金项H :国家自然科学基金青年科学基金项H资助(No. 50806075)1实验系统与实验方法实验系统如图1所示，矩形毛细微槽平板热沉竖直放置在透明性良好的玻璃加工密 闭实验容器内，并固定于振动台上振动台用来模拟外力扰动产生的振动，高度为 140mm,横截面为240X 80mm,振动频率分别设定为6Hz、10 Hz、30 Hz,振幅范围为 2.92〜3.97mm振动台与控制计算机相连接，通过调节频率，振幅等参数来改变振动条 件振动方向为竖直方向，振动波形为正弦波微槽平板高9()mm,宽20mm,厚lmm, 由硼硅玻璃制作，具有良好的透视性和较低的热膨胀变形率实验用的微槽尺寸如表1 所列微槽平板竖育贴附在密闭容器内，底部浸在容器内贮存的具有一定高度的蒸锚水 Z中蒸镭水在毛细力及脱离压力的作用下克服重力作用，沿着矩形微槽竖直向上攀爬, 受力平衡时，液膜静止不动，在微槽侧壁面上形成沿着微槽轴向方向延展的三相接触线。
每次实验Z前，微槽平板都会经过超声波清洗、纯净水清洗、烘干等工序，保证微槽表 面洁净无污染木实验主要研究在外力扰动条件下，矩形毛细微槽内接触线在不同振动条件下的变 化规律实验时，首先调整振动参数，启动振动平台，使微槽群平板在振动台上做周期 性的竖育振动，在35OW的光导纤维照明冷光源多角度聚焦照明条件下，利川最大拍摄 速率高达100000 fps的高速摄像仪和宽视场体视显微技术对微槽中二相接触线的振动以 及液膜振动时的瞬态润湿高度的变化进行可视化实验研究，获取大量的瞬态实验图像图2为实验中拍到的微槽侧壁面上三相接触线的处理过稈木文所研究的对象就是 从接触线与槽顶的交点到干涸点这一段的渐缩三相接触线拍摄的图片经过去噪等处理 后，利川MATLAB软件的图形处理模块，获取接触线上各个像素点的坐标，从而得到 三相接触线的量化曲线1 •密封实验腔5.汩j速摄像仪2•微槽群热沉 3.振动平台 4•冷光源6.计算机 7.控制界面和数据采集图1实验系统示意图表1实验微槽尺寸No.槽宽(mm)槽深(mm)10.20.620.30.630.40.6Groove depthbottom of the groovetop of the groovecontact line(a)微槽侧琏血的三相接触线Axial length(b)处理后的二相接触线图2接触线图片的处理2实验结果0 1/4 1/2 3/4 1cycle cycle cycle cycle cycle图3 —个竖直振动周期图4 一个竖直振动周期中接触线的变形情况如图3所示，在一个竖頁振动周期中，微槽平板从最低点运动到最高点，Z后返冋 到最低点，起点与终点在运动周期始末重合。
从图4可看出，当微槽平板竖肓向上运动 时，槽内的渐缩三相接触线被拉长，液膜变薄；当微槽平板竖玄向下运动时，槽内的渐 缩三相接触线缩短，液膜变厚a) 竖直向上运动时(b) 竖直向下运动时-0.50.50.02.01.0 1.5Axicd length (mm)—■— beginning of the cycle —•— 1/4 of the cycle —▲— 1/2 of the cycle —▼— 3/4 of the cycle —♦— end of the cycle /(a)振动频率为6Hz图5槽内三相接触线的受力分析图5对微槽内液膜的受力情况进行了分析当微槽平板竖肓向上运动时，槽内液膜 处于超重状态，竖肓向下的惯性力F］和重力凡拖曳液膜向下流动，但表面张力F,和流 阻R阻止这一运动，当液膜很薄的时候，表面乘力和流动阻力的作用非常大，约束了干 涸点的向下移动，因此微槽平板竖直向上运动时，干涸点位置基木不变，但较厚的液膜 却在惯性力及重力的作用下被明显拉长变薄，渐缩三相接触线变长当微槽平板竖肓向 下运动时，槽内液膜处于失重状态，竖直向上的惯性力牙拖曳液膜向上流动，但表面张 力Fs、流动阻力R和重力％阻止液体向上流动，在这些作用力的联合作用下，干涸点 位置基本不变，渐缩三相接硕线受到惯性力的作用明显变短，液膜变厚。
0.7 n0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.1-0.0-2 10• • • o o oEUJ) £d ① p ① >8」0—beginning of the cycle—1/4 of the cycle1/2 of the cycle—3/4 of the cycle-0.50.00.51 O a a (UJlu) £da)p ① >oo」01.0 1.5Axial length (mm)(b)振动频率为10Hz—■— beginning of the cycle—•— 1/4 of the cycle—▲— 1/2 of the cycle—3/4 of the cycle—♦— eixlofthe cycle2.02.5— end of the cycle0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5Axial length (mm)(c) 振动频率为30Hz图6不同振动频率条件下接触线的变形规律(柚宽0・3mrrb柚深0.6mm振幅为3.08mm〜3.25mm).O.8G4.2Q.8G421 .r1.r1 .a (EE) SC8 曇 oujSu ①二豆 xe o①5 10 15 20 25 30The vibration frequency (Hz)图7振动频率对接触线变形幅度的影响0.6mm振幅为 3.08mm-3.25mm)图6表示了振动频率分别为6Hz、lOHzx 30Hz,振幅约为3mm的条件下，在一个 竖育振动周期中槽内渐缩三相接触线的变化过稈。
从图中可看出，所有振动条件下，始 末位置的三相接触线都基木重合；当微槽平板竖肓向上运动时，即1/4周期，接触线被 明显拉长；当微槽平板竖宜向下运动时，即3/4周期，接触线明显缩短；干涸点的位置 基木不变，而渐缩接触线与槽顶的交点在柴个振动周期中呈现规律性的变化工要原因 是运动惯性力对液膜产生了规律性的向上和向下的拖曳作用从图6中还可看出，随着 振动频率的增大，接触线的振荡现象越明显这主要是因为振动频率增大，一-个振动周 期的时间减小，在振幅基木保持不变的前提下，槽内液膜受到的惯性力增大，液膜被拖 曳变厚或变薄的振荡趋势更明显，接触线的变形幅度更大如图7所示，在振幅基木不变的条件下，随着振动频率的增大，三相接触线的变形 幅度增大从图中还可看出，微槽宽度越大，接触线的振动幅度越大，槽内液膜的振荡 现彖越明显这是因为，槽宽变大，槽内液膜流动所受到的流动阻力和表面张力变小， 液膜受到惯性力的拖曳作用更明显a)振幅为 2.92inm(UJUJ) £d ① p ① >oo」o• I • I • I • I • I • I • I • I • I-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5Axial length (mm)(b)振幅为3.32mm(LULU) £dap ① >oo」0—■— beginning of the cycle• I ■ I ・ ] ■ I ■ I ■ ] ・ I • I ■ I ・ ]-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0Axial length (mm)76543210(Lulu) £dep o>8d(c)振幅为3.97mmFig.8不同振幅条件卞接触线的变形规律------.■・■・-•-. 64.2Q8G4.2 1 111 a Q o QElu)a)u=c5suoo ElJO £60 ①一 o① BUEqo（槽宽0・4mm,槽深0.6mm。
振动频率为10Hz）— ■—the groove width is 0.2mni —•—the grixwe wickh is 0.3mm the groove width is 0.4mni///52 -1 | I ' I ' I I ' I ' I I ' I ' I I ' I ' I2.0 22 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4The vibrati。