定截面微通道饱和流动沸腾传热系数的预测

发布时间：2020-08-18 07:50

【摘要】：随着社会的进步和计算机技术的发展,微电子技术在实际工程应用中越来越广泛,设备的微小型化已成为重要的发展趋势,其中微电子器件的冷却问题成为阻碍其发展的主要制约因素,而微通道内两相沸腾传热则是解决高热流密度微电子芯片冷却问题极具潜力的选择。本文首先介绍了国内外微通道饱和沸腾传热系数的研究现状和研究方法,主要从实验和理论两方面对微通道内饱和沸腾传热系数进行了研究。本文主要从理论方面对定截面微通道内饱和沸腾传热系数进行预测。主要工作内容包括:(1)首先将应用于圆形截面的三区模型扩展应用于矩形截面和三角形截面微通道。由于在矩形截面和三角形截面微通道饱和沸腾传热过程中存在角区,即局部干涸状态,因此在三区模型的基础上增加局部干涸区,并推导出适用于矩形截面和三角形截面微通道沸腾传热系数的四区模型(液塞区、拉长汽泡区、局部干涸区和完全干涸区)。(2)以水为工质,利用三区模型和四区模型分别对矩形截面微通道内沸腾传热系数进行了拟合,得到一组经验参数,并利用实验数据对其进行修正,最后利用该参数对不同质量流量及热流密度工况下的沸腾传热系数进行预测,并将预测值与实验数据进行对比,结果显示三区模型和四区模型可以较好地预测出传热系数随干度的变化趋势,且分别有90.38%和91.83%的数据误差在30%以内,平均误差为13.74%、13.2%。(3)同理,以丙酮为工质,用三区模型和四区模型分别对三角形截面微通道内不同质量流量及热流密度工况下的沸腾传热系数进行预测,并将预测值与实验数据进行对比,结果显示三区模型和四区模型可以较好地预测出传热系数随干度的变化趋势,且分别有90.04%和92.02%的数据误差在30%以内,平均误差为13.68%、12.54%。通过对比三区模型和四区模型对这两种截面形状微通道内饱和沸腾传热系数的预测结果可知,由于矩形和三角形截面存在角形区域,在完全干涸前存在局部干涸状态,四区模型中局部干涸区的引入能体现饱和沸腾传热过程中的局部干涸状态对传热系数的影响,为具有角形截面的微通道内饱和沸腾传热系数的研究提供了一定的参考。
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN40
【图文】：

示意图,芯片,示意图,微电子器件

微通道技术就已应用于高密度微电子芯热问题中。近几十年来，随着电子计算机技术的高步。同时，社会各行业对微电子器件的要求也越来减小，已从毫米量级向微米以及亚微米量级过渡，管的数量以指数的速度递增，该趋势将会从上个世间[1]。因而，设备微小型化的发展趋势已经成为当迅速向着紧凑型与功能型为一体的趋势发展，如微不断出现，其伴随着微电子芯片上的热流密度的不热流密度已逐渐突破 MW/m2的数量级[2]。Fang 和流冷却技术已不能满足微电子器件的高散热要求，此针对微电子器件的冷却问题，迫切需要具有更高术。目前高热流密度电子器件的冷却问题已成为维要制约问题[4]。

示意图,三区模型,示意图,汽塞

华北电力大学硕士学位论文第 2 章微通道内饱和沸腾传热系数的理论介区模型概述区模型是由 Thome[28]最早提出来应用于研究微通道沸腾传热机理的液塞区、拉长汽泡区和汽塞区三部分组成，其模型示意图如图 2-1 所为在微通道的某一横截面位置处，其液塞、拉长泡状流或汽塞随时间。热量主要通过以下三种传热方式进行传递的，包括液塞的对流换热和汽塞的对流换热，进而根据这三种传热模式在该截面所占据的时间部时均传热系数。

示意图,矩形截面,液膜,通道

4444lamlamlamlamNuNudh h h （2-21）局部时均传热系数 h (W/m2K)通过下式计算: hzthzthzthzvdryfilmfilmll （2-22）2.3 四区模型的理论介绍2.3.1 矩形截面微通道内饱和流体沸腾传热系数的理论研究与圆形截面微通道的三区模型相比，矩形截面微通道内不但存在液塞区、拉长汽泡区和完全干涸区三部分，而且还多了一个区：局部干涸区（partially dryout zone）。在该局部干涸区中，液体工质主要分布在矩形通道的四个直角位置，形成弧形液块，其余位置均为干涸区，如图 2-2 所示。因此我们称矩形微通道内沸腾换热模型为四区模型（具体包括液塞区、拉长汽泡区、局部干涸区和完全干涸区）。为了简单起见，我们以四边全部加热（矩形截面的长为：2L，宽为：L）的矩形微通道为例推导四区模型。

【参考文献】