毛细血管气泡动力学与微流体热管理应用研究

科学讲座2（2022）100020毛细血管中的气泡：放松传统假设米尔科·马尼尼诺丁汉大学机械、材料与制造工程系，英国诺丁汉NG7A R T I C L E I N F O A B S T R A C T关键词：微气泡毛细通道沸腾模拟长气泡和薄液膜在受限通道中的动力学是流体力学中的经典问题，并且已经在二维（Hele-Shaw单元或轴对称管）几何形状、非常粘性的湍流、可忽略的惯性和重力效应以及等温条件的假设下进行了广泛的研究。然而，最近的工程应用，如微流体，其中通道呈现角横截面，或通过微通道低沸点的两相冷却，其中使用低粘度的流体，需要放松这些假设，以提供稳健的设计原则。这项工作提出了新的见解泡沫和薄膜动力学时出现的研究在非常规的设置这股潮流 当气泡在非圆形毛细管中传播时，液膜比在管道中观察到的要薄得多，并且横流膜排水导致朝向气泡后部的单调膜变薄。惯性力导致气泡尾部出现波动，这一点可以通过扩充传统润滑理论得到很好的描述当邦德数比1小得多时，引力已经很有影响力了，尽管Bo 1是一个流行的忽略引力影响的标准最后，这些见解被利用来解释热管理应用中微通道内湍流沸腾的数值模拟中出现的传热趋势。本文的视频可以在j.sctalk.2022.100020上找到。https://doi.org/10.1016/通讯作者。电子邮件地址：mirco. nottingham.ac.uk。h tt p：//dx. 多岛或g/10。1016/j。我的天啊。2022. 1 0 0 02 0接收于2022年3月21日;接受于2022年4月4日27 7 2 - 56 93/©2022TheA ut h or r. 由E lsevier L td提供。 这是一个操作过程，需要遵循C CBY指令（http：//c re ati ve c mmo ns. 或g/li ce nss/by/4. 0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表科学讲座杂志首页：www.elsevier.es/sctalkM. 马尼尼科学讲座2（2022）1000202图和表图1.一、这次演讲的大纲。（a）放松轴对称假设：非圆形通道中的气泡;（b）放松惯性效应可忽略的假设：气泡尾部附近的惯性波动;（c）放松浮力效应可忽略的假设：水平通道中的湍流的浮力效应;（d）放松等温湍流假设：微通道中的湍流沸腾所有图片均改编自Bretherton [1]，经剑桥大学出版社许可（b）中的图片转载自[2]，经Springer许可。图二、（a，b）圆形通道中的流动：（a）粘-毛细管和（b）粘-惯性流动状态下的液膜厚度与毛细管数。（c，d）非圆形通道中的流动，（c）Wong等人的标度律[3]和（d）de Lozar等人的相对手指宽度与毛细管数量和通道横截面纵横比α[4]的文件。为了不确定循环中的最小值，假设Ca = μ l U /σ，则最佳值μ l为最小值，U为最小值，且最小值σ为最小值，Re=2ρlU R/μl时，R ey no l与hρlb e u idesi n n e ne 在非圆形通道中，在最小厚度下，不确定壁厚和壁厚之间的间隙。 图 2（c）改编自[3]和图。 2（d）改编自[4]，两者都得到剑桥大学出版社的许可。M. 马尼尼科学讲座2（2022）1000203图3.第三章。 在Ca = 0.002和Re = 1的情况下，圆形毛细管中细长气泡流动的数值模拟的速度场。 毛细管数和雷诺数的定义如图10的标题所示。 二、气泡从左向右移动气泡界面以黑色表示颜色表示速度大小，气泡前端的白线表示参考系中随气泡移动的流线（a）使用OpenFOAM的原生代数流体体积（VoF）求解器interFOAM进行模拟，其中伪速度场很明显。（b）使用OpenFOAM进行模拟，使用几何VoF求解器isoAdvector [7]，并使用Scheu Fider和Roenby的库TwoPhaseFlow [8]中实现的抛物线拟合计算界面曲率。F IG。四、中心线（rc）和定向（rd）总线均为通用总线数量，对于在一个通用总线区域中的某个专用总线，We=2ρlU2Rh/σ半径在泡形鼻后11Rh处测量该图还包括来自Hazel和Heil [9]、Kreutzer等人的基准数据[10]，Han and Shikazono [11] and Wong et al.[3]的文件。侧面的图像显示了三种确定状态下通道横截面上的气泡形状：Cab≥ 0.05<0的情况。05-前体-后体y m e t r y ; C a b ≤ 0. 01- D用于数据处理。在此基础上，提出了一种新的可压缩比为Cab=μlUb/σ的可压缩比。δminindicatthemin-界面微凹处气泡厚度最小图[12]第四章，从《易经》到《易经》。M. 马尼尼科学讲座2（2022）1000204图五、中心线（δc）、对角线（δd）和最小（δmin）液膜厚度与液体毛细管数的关系，对于在粘性-毛细管状态下在方形毛细管中前进的长气泡，我们计算1;厚度在气泡鼻后11 R h处测量。 作为参考，该图还包括基于Aussillous和Quéré [5]相关性评估的圆形通道的液膜厚度预测。中心线和最小薄膜厚度显著小于在圆形通道中相同条件下建立的厚度。 图 [12]第五章，《易经》中的“五行”。图六、分析流向薄膜变薄过程，气泡在粘性毛细管制度下在方形毛细管中前进，我们研究1。（a）Ca = 0.005时，由水力半径Rh归一化的膜厚δ等值线，以及相应的最小膜厚剖面与流向坐标z的关系。（b）最小薄膜厚度与气泡鼻距离的对数图及相应的幂律拟合。（c）在不同毛细管数值下幂律拟合的E分量，β = 0.5是Kreutzer等人获得的值。”[13]《易经》云：“君子之道，焉可诬也？ 图 [12 ]第12话，是一个人的故事。M. 马尼尼科学讲座2（2022）1000205图7.第一次会议。中心线垂直液膜厚度δc，y，在气泡鼻后11 R h处测量，在不同的毛细管数和通道纵横比下，对于粘性毛细管状态下正方形和矩形毛细管中的长气泡，我们计算1。点划线显示了使用Aussilous和Quéré相关性[5]获得的圆管膜厚预测，而实线表示使用Magnini等人提出的非圆形通道模型获得的预测[14]，其中厚度与沟道纵横比无关图[14]第七章，是对《易经》的一种解读。图8.第八条。惯性对长气泡在圆形通道中传播动力学的影响。（a）D=0.5 mm管道中甘油流中的气泡，Ca= 0.024，Re= 0.003 [2]。 毛细管数和雷诺数的定义如图10的标题所示。 二、（b）D=0.5 mm管道中水流中的气泡，Ca= 0.023，Re= 1065 [2]，在尾部附近显示出惯性驱动的界面波动[15]。（c）在Ca= 0.002和不同雷诺数条件下通过 数值 模拟获 得的气 泡轮廓R表示 通道 半径， h 表示 界面 与通道 壁的距 离，xF表示 气泡 后部的 流向位 置在 上面的 所有 五个 图中， 流动 是从左 到右的 图[2][3][4][5][6][7][8][9][10][11][12][13][14][15][16][17][18][19][10][11][10]M. 马尼尼科学讲座2（2022）1000206图9.第九条。惯性对长气泡在圆形通道中传播动力学的影响。（a）从增加了惯性效应的润滑模型中获得的气泡的整个轮廓[15]。（b）验证模型薄膜厚度预测与空气-水实验数据库[2]以及Han和Shikazono相关性[6]。（c）气泡示意图和（d）中使用的起伏符号。（d）第一个波动幅度h1− h0，由反射膜厚度h0重新调整，与韦伯数[16]的关系，如图1的标题所述。四、当We→ 0时，波动幅度接近依赖于毛细数的渐近值。当We> 0.1时，惯性人-随着韦伯数的增加，波动幅度单调增加图[15 ]第15话：“我是一个很好的人。图10个。 浮力对水平圆通道中长气泡传播动力学的影响。（a）EX实验图像，来自Leung et al. [17]，在D=2mm，Ct=0的直径的圆柱形内，氮气泡在圆柱形内的穿透。038，Re=1 0，B onnu b erBo=ρlgR2/σ=0. 二、 Ca pil lary和R ey nol dsnb er的定义如图1的标题所示。 二、当邦德数远小于1时，气泡在通道轴上方的高度已经很明显(b)热管理应用中所用的选定流体的粘合数与通道直径的关系图邦德数接近一个已经为直径为1.5毫米的通道，从而强调的重要性时，研究两相湍流毫米通道中的Bo- 1政权图[10][ 17 ][18][19][1M. 马尼尼科学讲座2（2022）1000207图十一岁浮力对水平圆通道中长气泡传播动力学的影响。（a）通过数值模拟[18]获得的在水平通道中平移的气泡形状，其中Ca = 0.024，Bo = 0.42，We = 1。（b）、（c）和（d）中的等值线显示了（a）中所示的选定通道横截面上液膜中的相应速度大小。这些显示了薄膜区域中向下下落的液体，以及气泡横截面轮廓的椭圆化。(e) 在垂直中心平面上提取的气泡轮廓，zK定位气泡后部的尖端轮廓清楚地强调了顶部膜厚度比底部膜厚度小得多，并且由于向下下降的膜将液体排出顶部膜区域，气泡是倾斜的 图[11]《易经》中的“易”字，是指“易”字。M. 马尼尼科学讲座2（2022）1000208图12个。多微通道蒸发器内低沸点沸腾的物理和数值模拟，包括共轭传热效应。（a）待复制的物理模型[19]，包括水下水道和三面环绕的实墙。（b）具有固体和液体区域的计算模型，从底部边界提供热量，并且在沸腾开始时在底部通道表面上修补一个蒸汽泡（c）蒸汽泡沿通道生长时的快照，通道壁用相应的温度等值线着色[20];条件为：Tsat=373 K时的水，通道水力直径Dh=0.23 mm，宽高比β=2，通道翅片由铜制成，半宽Dh/8，质量ΔUX为140 kg/m2 s，基础热量ΔUX为100 kW/m2。 图[12][13][14][16][17][ 19][图13岁多微通道蒸发器的热分析[20];条件为：T sat= 373 K的水，通道水力直径D h= 0.23 mm，通道翅片由半宽D h/2的铜制成，质量单位为140 kg/m 2 s，基础热量单位为100 kW/m 2。（a）、（b）和（c）显示了不同宽高比β下沿通道中途提取的横截面温度等值线，见（d）中的草图。两种不同的颜色尺度被用于流体和固体区域的温度场，以更好地显示局部梯度。流体区域中的白线标识通道横截面上的液体-蒸气界面气泡和壁面之间的蒸发薄膜对局部降低通道壁面温度非常有效。（e）在不同的通道纵横比下，在整个水平（底部）壁上评估的空间平均努塞尔数随着β的增加，底壁被蒸发膜覆盖的程度增加，努塞尔数单调增加M. 马尼尼科学讲座2（2022）1000209资金这项工作得到了英国工程物理科学研究委员会（EPSRC）的支持，通过BONSAI （ EP/T033398/1 ） 资 助 ， 并 & 得 到 了 英 国 皇 家 学 会（IES\R3\203053）的支持。信用作者身份贡献MircoMagnini：概念化，方法论，软件，研究写作&竞争利益声明作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。致谢M. Magnini感谢所有过去和现在的同事多年来为这项工作做出的贡献：John R. 洛 桑 联 邦 理 工 学 院 （ EPFL ） Matar （ Imperial CollegeLondon ） ， Howard A. Stone （ Princeton University ） ， AndreaFerrari（ENI），Hannah R. Moran（伦敦帝国理工学院）、SepidehKhodaparast（利兹大学）、Federico Municchi（科罗拉多矿业学院）、Matteo Icardi和Ismail El Mellas（诺丁汉大学）。引用[1] 陈文辉，长气泡在圆管中的运动，流体力学杂志，第10卷，第166-188页，1961年，第166https://doi.org/10.1017/S0022112061000160[2] S. Khodaparast，M.Magnini，N.Borhani，J.R.托米，《孤立的封闭空气的动力学》液体中的气泡通过圆形微通道流动：实验和数值研究，《微流体》。纳米胶体。19（2015）209- 234，https://doi.org/10.1007/s10404-015-1566-4[3] H. 黄正杰Radke，S.莫里斯，多边形毛细管中长气泡的运动。部分1. Thin Films，J.Fluid Mech.292 （ 1995 ） 71https://doi.org/10.1017/- 94 ， www.example.comS0022112095001443。[4] A. de Lozar，A.Juel，A.L.Hazel，空气手指进入矩形管的稳定传播，J。 流体机械 614（2008）173https://doi.org/10.1017/S0022112008003455。[5] P. Aussillous，D.Quere，在管壁上快速沉积一种液体，Phys.流体12（2000）2367- 2 3 7 1，h t t p s：/ / d o i。或g/10。1063/1。1 2 8 9 3 96.[6] Y. Han，N.Shikazono，微管段塞流中液膜厚度的测量，Int. J. 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