在航空航天领域，随着高热流密度微电子电气设备的发展，飞行器内部的环境控制和电子设备冷却等对各种零部件安装换热量和换热效率的要求越来越大，而两相流沸腾换热具有换热效率高和工作温度变化小等特性，两相流沸腾换热逐渐取代单相流换热，其临界热流密度是换热强弱的重要标志。近年来，国内外对微小矩形管道内的两相流沸腾换热进行了不少研究，并分析了各种因素对临界热流密度的影响。研究表明管道的结构及尺寸、流体介质、质量流速、入口过冷度、管道的加热方位及流体流动方式等^[1-12]都会对两相流临界热流密度值产生影响, 例如：2013年，Konishi等^[5]采用单侧面加热的矩形窄通道，对不同方位下的两相流临界热流密度进行了实验研究，在小流速和低进口含气量的情况下，窄矩形通道的加热方位对临界热流密度有显著的影响。2000年，Tran等^[13]对小管道内制冷剂流动沸腾的两相压降进行了实验研究，并考虑表面张力和管道尺寸对其影响，提出了小管道流动沸腾两相压降的新的相关公式。就飞行器而言，对管道内两相流临界热流密度的研究，不能局限于静止状态，在水平方向上非匀速运动时，管道内的流体会受到不同大小和方向过载的作用。因此，除了以上各种因素，研究者着重研究了过载^[14-17]对临界热流密度的影响。例如：2001年，Ma和Chung^[15]研究了微重力条件下临界热流密度的变化，微重力下的强迫对流换热能力得到增强。2010年，姚秋萍等^[16]在旋转状态下，研究了动载对流体流动与传热的影响，过载方向与流动方向相反时，过载越大，管内压力和流阻越大，液相流量、空隙率和流体的热量越小。2015年，李冈等^[17]对侧向动载下水平矩形通道内的水流动特性的影响进行了实验研究，得到流量、压降随动载的变化。

本课题宋保银研究团队^[18]已对侧载和加热方位对矩形通道内临界热流密度的影响进行了研究。为了进一步研究逆载对临界热流密度的影响，本文采用去离子水作为流动工质，对处于静止和逆载状态下的窄矩形通道内的汽水两相流临界热流密度进行了实验研究，主要考察临界状态下管道内压差和质量流速随逆载的变化以及逆载大小、质量流速和进口过冷度对临界热流密度的影响。

1 实验设备及研究方法

实验系统简图如图 1所示。在一个可旋转的平台上建立一个封闭的流体循环系统，加热系统、实验测试系统、数据采集系统。流体循环系统由水箱、节流阀、水泵、涡轮流量计、电动阀门、实验段、冷凝器及连接导管组成，流体介质采用去离子水。其中涡轮流量计安装在平台中心，以减小离心力的影响。流体从水箱中经过节流阀、通过水泵输送进管路，经涡轮流量计流到预热段预热，然后进入实验段，在实验段管道里继续加热至沸腾，流出后是汽水两相的混合流或单相蒸汽，通过冷凝器将其冷却成单相液体，最后流回水箱继续循环使用。其中流体在试验段沿转台径向由外向内流动。

转台在旋转过程中，实验段管道内的流体会受到离心力 (逆载)、重力和哥氏力的作用，且三者方向相互垂直。在水平面上，哥氏加速度的方向与实验段管道垂直，液体受到侧向哥氏力的作用，由哥氏加速度的计算公式 (1) 得到表 1中不同逆载下的哥氏加速度的值，相较于离心力，哥氏力较小，且随着离心力的增大，哥氏力与离心力的差越大 (在逆载为2.5g时，哥氏力约为离心力的1/6，其中g=9.8 m/s²)。哥氏力对流体质点水平方向运动的影响较小，从而对质点间换热的影响也较小，所以此次实验，逆载作用为主，未考虑哥氏力和转台振动的影响。

哥氏加速度：

式中：ω为转台角速度，rad/s；v_r为实验段管道中心点的旋转切线速度，m/s。

实验段结构如图 2所示，管道在上，加热面在下，矩形管道由耐高温透明的高硼硅钢化玻璃组成，其截面尺寸宽×高为4 mm×10 mm，长度为400 mm。加热块采用长为400 mm的无氧纯铜，在其一侧面开有上下对应的5对 (1，2，3，4，5) 直径为2 mm、深为10 mm的圆孔，距离左侧面进口处的距离分别为10、105、200、295和390 mm，距离上表面的距离分别为2 mm和12 mm，用于安装铠装Pt100铂热电阻。铜块内部插入2根镍铬合金加热棒，电阻值均为27.8 Ω。

铜块的底面和侧面用保温棉包裹，由于保温棉的导热系数极小，在忽略了被包裹铜块表面与周围空气的对流和辐射换热之后，铜块中加热棒产生的热量可近似认为向上单向传递，这样系统即可简化为一维导热。

导热热流量：

导热热流密度：

壁面温度：

式中：φ为导热热流量，W；λ为铜块的导热系数，W/(m·K)；A为加热面的面积，m²；q为热流密度，W/m²；T₁和T₂为2个测点的温度，℃；T_w为加热表面温度，℃；δ₁为两侧温点之间的距离, m；δ₂为测温点与加热壁面之间的距离, m。

2 实验结果与分析

实验初始条件设置为入口过冷度ΔT_c分别保持在20 ℃和30 ℃，质量流速G=220~417 kg/(m²·s)，考虑到实验的可行性及转台旋转过程中管道散热的影响，逆载大小G_x=0g~2.5g。对于每一组实验，分别保持入口过冷度和质量流速不变，加热棒均匀加热，当测试点温度率化率突然增大并持续变大时，管道内流体达到临界状态，停止加热，同时记录实验数据。

2.1 壁面温度和热流密度随时间的变化

静止状态下，初始入口过冷度ΔT_c=30 ℃、质量流速G=317 kg/(m²·s)。在管道静止状态下，点4处的壁面温度和热流密度随时间的变化如图 3所示，随着壁面温度的逐渐增高，热流密度逐渐增大，当壁面温度T_w发生突变时，即在时间t=380 s、T_w =150 ℃左右时，壁面温度变化率增大，管道内达到临界状态，此时计算得到的临界热流密度值q_c=26 W/cm²。随后停止加热，由于热惯性影响，壁面温度还在持续升高，而测点处的温差减小，计算得到的热流密度值减小。

管道内的流动沸腾由单相流动传热、过冷沸腾和饱和沸腾等过程组成。单相流换热主要依靠壁面与流体的对流换热。过冷沸腾，气泡的成核对壁面热边界和流动边界产生一定的扰动，换热由对流换热向相变换热转换。饱和沸腾，大量气泡产生，破坏了原有的边界层分布，核态沸腾占据主导地位，换热主要是相变换热。距离管道出口越近，T_w越大，管道越往后，液体温度较高，先达到饱和沸腾状态，液体与加热表面之间产生大量的气泡，且两者之间逐渐形成一层气膜或干斑，气膜导热系数较小，液体与壁面之间的换热量降低，导致壁面温度升高并发生突变。如图 4所示为2张同一管道内点4处在不同时刻的流动状态图。可以看到随着加热的进行，流体在壁面附近不断产生气泡，随着气泡的增多，聚合成一层薄的气膜或大的气泡层，此时加热壁面发生局部干涸现象。

2.2 管道内流动参数随时间的变化

静止状态下，初始入口过冷度ΔT_c=30 ℃、质量流速G=417 kg/(m²·s)，图 5所示为管道内的进出口压差和质量流速随记录时间的变化曲线。从图 4和图 5可以看到，管道内液体临界沸腾时，产生大量气泡，气泡导致管道堵塞，质量流速逐渐减小。又因为管道内温度升高、液体间的摩擦和液体与气泡之间的摩擦，使得流动阻力增大，进出口压差Δp逐渐增大，达到20 kPa。以上分析揭示管道内的进出口压差与质量流速的变化规律相反。

2.3 管道内流动参数随逆载的变化

图 6所示为不同过冷度ΔT_c=20℃和ΔT_c=30℃所对应管道临界状态下的质量流速随逆载的变化。在逆载作用的起始阶段，质量流速快速降低。这是因为逆载作用在流体上产生较大的流动阻力，相对于静止状态，又增大了流体的流动阻力，在逆载大小达到G_x=1.5g之前，入口过冷度越大，质量流速减小得越慢，这是因为过冷度越大，液体吸收的热量越多，产生气泡越慢，流动阻力越小，对应的质量流速较大。在G_x达到1.5g之后，质量力的影响超过气泡壅塞的影响，结果过冷度大的流体由于其密度较大，质量力引起的阻力使得其质量流速减小得更快，即逆载对流体阻力的影响要超过了气泡阻力的影响。

图 7所示为在不同的进口初始条件下，管道内流体达到临界状态时，进出口压差随着逆载作用的变化曲线，从图 7(a)中可以看出随着逆载的增大，进出口压差随之增大。在初始进口质量流速G=317 kg/(m²·s)、不同过冷度条件下，压差随逆载的变化曲线与图 6所示的质量流速随逆载的变化曲线相照应，压差随着逆载的增大而增大，不同过冷度的变化曲线在G_x=1. 5g左右发生交叉现象。图 7(b)显示，在质量流速较大时，尽管进口流体的过冷度不同，其进出口压差随逆载增大而增大的趋势相类似，没有出现交叉现象。这也表明质量流速的取值对管道内的压差变化趋势具有一定的影响。

2.4 质量流速、入口过冷度及逆载对临界热流密度的影响

图 8所示为在不同的逆载作用、质量流速和入口过冷度条件下，管道内的临界热流密度值变化曲线。临界热流密度随着逆载作用的增大而增大。本实验条件下，逆载作用从G_x=0g增大到G_x=2.5g，临界热流密度值提高了约50%。图 8(a)表明，在相同的质量流速下，随着逆载作用的增大，管道内的入口过冷度越大，临界热流密度值提高得也越多。图 8(b)显示，在相同的入口过冷度条件下，质量流速越大，临界热流密度值也越大。图 8(c)则表明，在相同的逆载作用下，质量流速越大，临界热流密度值越大。图 8还表明，逆载对临界热流密度的影响远大于其他因素的影响。

饱和沸腾换热是以气泡的相变潜热为主要的传热方式，其传热过程与气泡的生成频率、脱离直径、通道宽度、工质入口过冷度和质量流速有关。逆载作用在流体上，增强了管道内的流动阻力以及液体与气泡之间的扰动情况，且逆载越大，阻力越大，扰动越明显，使得液体与液体、液体与气泡之间的摩擦加剧。同时流体液相在逆载质量力作用下冲刷加热壁面上的气泡，加大了气泡的脱离速度，使其难于形成气相膜或大的弹状气泡。气泡与气泡汇聚成大气泡加剧管道堵塞，导致管道内的压力升高，流体介质的物性参数发生变化，气泡更加难以产生，汽化吸热量减少，整体上管道内流体与加热壁面的换热量减少。入口过冷度相同时，流体的质量流速越大，扰动的影响就越小，要发生临界换热现象，必须在较大的加热功率下进行；质量流速相同时，入口过冷度越大，流动过程中吸收的热量就越多，产生的气泡量较少，不易发生气泡堵塞，达到临界换热状态就越难，临界热流密度就越大。而低质量流速、低入口过冷度的流体达到临界换热需要的热流密度相对较低，在逆载作用下的临界热流密度自然较低。

2.5 误差分析

在实验过程中，由于仪表精度、实验现场条件及观察测量等多种因素导致实验数据存在着误差。对于主要仪表测量参数的误差，根据量程、精度，数据采集模块的误差，采用传递公式 (5) 计算，结果如表 2所示。

式中：r为n个独立变量x₁，x₂，…，x_n的函数，各自的测量误差分别为ω₁，ω₂，…，ω_n。

3 结论

本文利用旋转实验台及流动沸腾装置，对矩形管道内汽水两相流临界换热参数进行了实验测量，并对实验数据进行分析和处理，得到了不同状态下管道内各点的热流密度及管道内流动参数和临界热流密度的变化曲线。在本文设定的初始条件下，通过对曲线的分析得出以下结论：

1) 随着加热时间的持续，压差与质量流速的变化趋势相反。压差随着入口过冷度的增大而减小，随着入口质量流速的增大而增大。

2) 逆载的作用一方面促进汽泡分离，提高临界热流密度；另一方面增大流体的流动阻力，逆载越大，在窄通道内饱和沸腾状态下，加上气泡的堵塞，容易造成回流，使质量流速减小，压差增大。

3) 在相同的质量流速和过冷度条件下，临界热流密度值随着逆载作用的增大而增大；在逆载G_x=0g~2.5g作用下，q_c值分别随着质量流速、过冷度的增大而增大；且逆载对q_c值影响的贡献最大，可提高50%以上。