波形微通道流动沸腾换热特性的数值模拟

发布时间：2020-05-08 06:51

【摘要】：微通道的流动沸腾换热可实现小空间、大热量的转移,可应用于芯片冷却等微尺度换热领域。波形微通道通过改变通道结构,有望实现微通道流动沸腾换热状况的改善。本文设计了九组波形微通道和一组平直通道,基于CFD软件的VOF模型,补充用户自定义函数,合理构建出微通道内流动沸腾换热的理论模型。运用适合的数值计算方法实现流动沸腾换热过程的数值模拟。主要研究波形结构参数(波幅、波距)对微通道流动沸腾的汽泡形态、汽液两相流流型、流动沸腾的稳定性和沸腾换热效果等的作用规律,并与平直微通道对比,主要工作和结论如下:(1)对比波形微通道和平直微通道中速度场和流线图,发现波形微通道中存在二次环流。比较波形微通道和平直微通道中的汽泡形态,发现波形微通道中,由于二次环流的存在,成核的汽泡更易脱离,通道中汽泡的体积更小、数量更多,使波形微通道能够维持核态沸腾。(2)平直微通道中的主要流型为:受限泡状流、弹状流、拉伸汽泡流、环状流;波形微通道中的主要流型为:孤立泡状流、弹状流、拉伸汽泡流、环状流。但是,波形微通道中的汽塞较短,不易堵塞微通道。环状流阶段,汽泡与加热壁面仍有液膜存在,有利于流动沸腾的可靠换热。(3)比较波形微通道和平直通道中的流动沸腾的稳定性的差异。在T_(in)=368K,v_(in)=0.4 m·s~(-1),q_w=250 kW·m~(-2)工况下,t=20 ms~30 ms时间段内,波形微通道中温度、进出口压降波动的幅度小,频率低,流动沸腾相对稳定。而平直通道中,相同的条件下对应的温度、压降波动幅度大,频率高,且壁面温度不断上升,出现传热恶化现象,不利于流动沸腾的稳定。对比发现,增大波幅或减小波距都有利于波形微通道流动沸腾的稳定。(4)波形结构有利于提高微通道流动沸腾的可靠性,但是波幅和波距均应该控制在一定范围内。当波距缩小到一定程度时,一味增加波幅反而会使微通道传热恶化。(5)同平直微通道相比,波形微通道的流动阻力和沸腾换热系数均较高,且都随着雷诺数Re的增大而增大。波幅、波距对波形微通道流动沸腾换热效果均有影响,增大波幅(或减小波距),沸腾换热系数和流动阻力都增大。波幅对沸腾系数的影响较大,波距对流动阻力的影响较为突出。相同波距下,波幅增大4倍,流动阻力、沸腾换热系数分别增加24%、26.5%,相同波幅下,波距减小4倍,流动阻力、沸腾换热系数分别增加40%、16%。(6)选取综合评价因子评判十组微通道的综合换热性能,可以得出,#4波形微通道(A=40μm、λ=0.5 mm)的综合换热性能较好。
【图文】：

传热系数,方法,散热方式

也已达到微米级别。例如，英特尔公司的代号为 Sandy Bridge以在 261 mm2的芯片上集成接近 109 个晶体管，服务器微处理功耗将超过 130W。这意味着满负荷运行时，芯片上的热流密W m-2 [2]。电子设备要维持正常稳定运转，其工作温度必须控内，而且电子元器件对温度十分敏感，器件温度超过其安全工作 ℃，可靠性就会下降 5％[3]。传统的散热方式——普通的空冷却，需要的散热设备体积较大，单位空间的热流密度较低，很效果。，电子器件的散热方式的选择不仅要考虑散热能力，还要综合结构尺寸、工作环境及其他特殊要求。因此，尽管近几年微通式已经在市场上得到了应用，但是，微通道的单相流冷却易造，造成较大的热应力。如何在有限的空间内实现高热流密度的却系统稳定运行，是亟待解决的问题。

密度图,体积功,密度,方法

图 1.2 几种散热方法体积功率密度的对比.1、1.2 中给出几种电子散热方法的传热系数和体积功率密度（热从图中可以观察到，相变冷却的传热系数和体积功率密度远远。相比于单相对流换热，，带有相变的“液冷”方式利用液体汽热巨大这一特点，逐渐被人们所利用。流动沸腾换热是一种比的液冷方式，很多行业的生产设备都涉及到流动沸腾换热工况将其应用扩展到微尺度散热的领域中。道的流动沸腾换热冷却基于相变原理，充分利用微尺度效应和大量热量的特点，在相同的热负荷下，所需的质量流量远远小从而降低设备所需的驱动功，解决大多冷却设备功耗过高的问动沸腾换热可以降低传热热阻，使温度分布更加均匀，减小换提高换热设备的可靠性。因此微通道流动沸腾冷却技术是解决的一种非常有效的途径，越来越受到人们的青睐[4,5]。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN40;TK124

【参考文献】