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微尺度沸腾过程中汽泡的生长行为对微泵、微执行器、喷墨打印头、微扰动器等微元件的设计和性能非常重要,要设计出效果优良的这些微元器件,需要对微尺度下沸腾过程中汽泡的生长特性及机理进行深入了解。微尺度下的沸腾涉及到汽-液两相转化、微尺度效应等一系列非常棘手的问题。虽然已有不少学者进行了相关的脉冲加热下实验研究,但对微尺度下汽泡的生长机理的研究远未成熟,更鲜有对该方面的数值模拟。微尺度下的实验研究具有制造工序复杂,制造条件苛刻,实验件重复性差等不利因素,而数值分析就能克服以上问题,可以协助实验更好的了解微尺度沸腾汽泡的动态行为。 本文以Ansys-Fluent+UDF(用户自定义函数)对在脉冲加热下,在一个100μm×100μm的微型加热器表面上汽泡生长的动态过程进行了三维数值模拟,脉冲宽度分别为10ms和5ms。本文结合实验过程进行了物理数学建模,共采用了两种模型:一种是热传导模型,该模型主要是针对近壁面处的温度分布以及提供汽泡生长的初始流场,并提供初始的汽-液相界面的相关参数;一种是流体模型,主要是求解N-S方程以及汽-液相界面的位置,文中采用Fluent中的多相流模型中的VOF方法,其中VOF方法采用的是连续表面张力模型,该模型中,附加的表面张力导致了动量方程中的源项。根据实际的实验过程确定了初始条件和边界条件、数值计算参数(如网格密度)、最初汽泡的直径。 本研究给出了在不同的能量等级下汽泡的生长和湮灭过程的三维视图,并分析了流场和加热面附近的温度分布,以及汽-液相界面处的压力分布和速度矢量分布,得到了与实验结果比较相符的数值计算结果。在加热过程中,加热器表面的温度随时间的增长而升高,增长趋势是先快后慢,汽泡内压力分布却是随时间的增长而减小。汽泡的生长过程是蒸发和冷凝动态作用的结果,这些变化也解释了如下现象:在生长初期,蒸发率远大于凝结率,汽泡的生长速度较快;在生长后期,由于汽泡表面积增大,凝结率也随着增大,而蒸发率基本维持不变,汽泡的生长速率变慢。停止加热后,由于加热器的材质的导热系数远大于水的导热系数,加热面处的温度下降的速度远大于水温下降的速度,加热面的温度迅速下降,而此时汽泡内压力却开始快速上升并慢慢的趋于稳定,这些变化也解释了停止加热后,汽泡最初迅速湮灭一段时间后,最后慢慢趋于稳定这一现象。