喷雾冷却换热强化特性的实验研究

发布时间：2020-04-20 13:34

【摘要】：随着技术的不断进步,电子元器件尤其机载电子及武器系统等越来越向着集成化、模块化的方向发展,导致设备发热功率不断升高,因此如何高效、可靠地解决高热流密度电子设备的快速散热问题具有重要意义。相比于传统冷却方式,喷雾冷却技术具有传热温差小、表面温度均匀性好、冷却介质需求量少等优点,在高热流密度设备散热领域具有良好的应用前景,对其强化换热技术的研究是当前喷雾冷却研究的热点之一。本文通过搭建开式喷雾冷却实验台,研究微槽道强化表面结构参数、微槽道表面相对位置、低压环境、添加剂类型等因素对喷雾冷却换热性能的影响,为喷雾冷却系统实际应用提供实验和理论支撑。具体工作如下:(1)微槽道强化表面结构参数对喷雾冷却强化换热的影响在体积流量0.15L/min-1.25L/min范围内,通过对微槽道表面宽度、深度等结构参数的优化研究,获得了喷雾流量与最佳换热表面的对应关系,并基于微槽表面雾滴受力和液膜流动状况的分析,揭示了槽道表面优化换热的具体原因,在此基础上研究槽道表面相对位置对换热的影响,为喷雾冷却装置布局研究做了一定的探索工作。(2)低压环境对喷雾冷却强化换热的影响机载环境是典型的低压环境,受低气压的影响,工质沸点会随之改变,为了更好地研究机载环境下的喷雾冷却特性,开展喷雾腔环境压力分别为25kPa、35kPa、45kPa、55kPa、65kPa、75kPa下的换热性能研究,得到了不同压力与表面换热系数的变化关系。结果表明,由于低压环境下,工质饱和温度降低,喷雾冷却更容易进入两相区,沸腾换热的作用凸显,从而使得整体换热能力增加。(3)添加剂类型对喷雾冷却强化换热的影响添加剂会对工质的粘度、表面张力、沸点等物性产生影响,进而影响喷雾冷却特性,为此分别以Nacl盐溶液、Cacl_2盐溶液、乙醇溶液和Al_2O_3纳米流体为工质,开展了不同溶液浓度下的喷雾特性实验研究,获得不同添加剂种类、浓度下的喷雾性能。实验表明,对于盐溶液在热源加热功率为700W时,氯化钠与氯化钙在质量浓度分别为1%和1.5%时强化换热效果最好,并从Re、Pr和We随盐溶液的浓度变化规律方面分析了换热机理;当热源加热功率超过1000W时,由于盐分析出附着于表面导致热阻增大,随着盐溶液浓度增加换热系数将持续降低。对于乙醇溶液,喷雾冷却的换热能力随着溶液浓度增加先提升后减小,沸点降低与We变化对换热的共同影响是造成该现象的主要原因。对于氧化铝纳米流体,浓度为0.04%时喷雾冷却换热效果最优,分析了原因在于氧化铝的导热系数远比水大,而且纳米粒子受到布朗力作用,促进热量传递。(4)喷雾冷却无量纲关联式分析针对光滑表面提出了影响喷雾冷却性能的Re、Pr、We、蒸发强度ζ4个无量纲数,计算得到精度在10%以内,且适用于水、盐类、乙醇及纳米流体为喷雾工质时的Nu无量纲关联式;在光滑表面关联式的基础上继续添加表征表面结构参数的无量纲数β和Bo修正公式,获得了精度达到9%以内的微槽表面的无量纲关联式,相比现有关联式,更适合反映包含微槽表面的喷雾冷却传热特性。(5)喷雾冷却的数值模拟为了更好地理解和揭示喷雾冷却换热机理,借助FLUENT软件中的VOF模块,对喷雾冷却过程中的液滴-壁面/薄液膜间相互作用进行建模和数值分析。结果表明:液滴速度和液滴直径对换热影响显著,随着液滴速度的增加和液滴直径的减小,表面传热系数显著增加,液膜厚度与换热系数大小正反比。
【图文】：

对比图,换热能力,冷却方式,对比图

断进步电子元器件尤其是机载设备上面的电子器件越来导致设备发热功率不断升高；甚至关键元器件每平方厘，器件失效的概率大大增加[1-2]。然而电子系统中微小器的瓶颈[3-4]，因此如何高效、可靠地解决高热流密度器件。与传统冷却方式相比，喷雾冷却技术具有被冷却表面[5]，已经广泛应用于航空电子设备、脉冲式现代武器、。却换热能力研究方面，从二十世纪五十年代初开始国内进行了一系列的实验及理论研究[8]，而且目前依然是研以水及常用制冷剂为冷却工质的开式喷雾冷却实验台，参数以及冷却介质添加剂类型对喷雾冷却换热能力的影关联式的分析研究；最后使用数值模拟方式对实验进行公式上取得突破，为喷雾冷却的应用提供实验参量与理对比

示意图,示意图,强制风冷,降温技术

100-300 面 500 冷却方式为强制风冷和强制水冷两种；强将热量带走，而强制水冷，工质换成冷却上，但它会增加作为动力的循环泵的能小于 1W/cm2时强制风冷降温技术可以使术效果较好，但是采用此种换热方式能着功率不断提高，该种方式的散热越来越来解决热流密度积聚问题。率设备冷却的需求，高效换热技术逐渐括微通道冷却、射流冲击冷却和喷雾冷却分析这三种高效冷却技术优势及缺点：早是由 Tuckerman 和 Pease[12]在 1981 年对换热设备的尺寸和重量有一些特殊要
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB611

【参考文献】