蒸汽腔平板热管内气液相变传热特性的实验研究

发布时间：2017-09-09 22:08

  本文关键词：蒸汽腔平板热管内气液相变传热特性的实验研究

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【摘要】：平板热管是解决受限空间内高热流密度散热的一种新型高效热输运器件,具有结构简单、成本低廉、性能好、适应性强等优点,在空间热控系统、微电子元器件散热等领域有着广阔的应用前景。蒸汽腔平板热管蒸发面到冷凝面的距离一般只有几毫米,在如此狭小的腔体空间内蒸发／沸腾与凝结同时发生并相互影响,使得蒸汽腔内产生复杂的气液两相流动与相变传热传质现象。因此,开展蒸汽腔平板热管内气液相变传热的研究,不仅具有重要的工程应用价值,而对于探索类受限微小空间内气液两相流动与蒸发凝结相变传热传质机理具有重要的科学意义。目前,蒸汽腔平板热管内复杂的气液相变传热机理尚未得到充分揭示,特别是在蒸汽腔内部复杂气液两相流体动力行为与相变传热之间的内在联系尚不明确；并且,微小受限空间内蒸发／沸腾与凝结之间的耦合效应对蒸汽腔传热的影响机理也较为匮乏。为此,本文设计搭建了一套蒸汽腔平板热管气液两相工质流动与传热性能测试实验平台,开展蒸汽腔内气液两相流动的可视化与传热性能实验研究,观测蒸汽腔的气液两相流型与运行特征,并在此基础上对蒸汽腔传热性能影响因素及强化机理进行分析,旨在揭示微小受限空间内复杂气液两相流体动力行为与相变传热机理。概括起来,本论文的主要研究内容及研究结论如下：(1)开展了蒸汽腔平板热管气液相变传热的可视化实验研究,观测了蒸汽腔中气液两相运行状态及主要流型,监测了壁面温度变化,并建立了工质运行状态与壁温变化间的内在联系。研究结果表明：随热负荷增加,蒸汽腔准稳态运行模式依序呈现“持续大幅脉动运行模式”、“大幅脉动与短暂小幅脉动交替运行模式”、“小幅脉动与短暂大幅脉动交替运行模式”和“持续小幅脉动运行模式”;不同运行模式下,蒸汽腔壁温变化各具特点,可以成为判断蒸汽腔内工质运行状态的重要判据；蒸汽腔平板热管运行时腔体内存在着多种流体动力行为特征,如气泡的产生、长大、运动、聚并、破裂、凝结以及液体的波动等,它们对蒸汽腔的稳定运行与高效传热有重要影响。(2)开展了蒸汽腔平板热管的传热性能实验研究,分析了蒸汽腔传热性能的各种影响因素,建立了气液两相流体动力行为与传热性能之间的内在联系。研究结果表明：随着热负荷的增大,蒸汽腔热阻呈整体下降趋势。存在一个最佳的充液率(≈49%)使得蒸汽腔热阻表现最小,此时蒸发／沸腾与凝结换热之间的相互影响程度达到了一个最佳水平,使得蒸汽腔表现出了最佳的传热性能;远离此充液率时,蒸汽腔的传热能力会受到一定的限制。并结合气液两相流体动力行为图像对蒸发／沸腾与凝结之间的相互影响作用机理进行了分析：充液率较低时,气泡或沸腾液很少能与冷凝面接触,蒸发／沸腾与凝结之间的相互影响程度较弱；充液率较高时,气泡脱离频率的降低、冷凝面部分区域被液面覆盖以及液柱等现象使得蒸汽腔内蒸发／沸腾和凝结换热强度均受到了一定程度的抑制；而当充液率处在一个中间水平范围时,液位高度以及液面到冷凝面的距离均比较适中,蒸发／沸腾换热与凝结换热之间相互促进。随着受限空间高度从20mm逐渐降低到5mm,蒸汽腔的传热性能越来越好。(3)开展了蒸汽腔平板热管内蒸发／沸腾与凝结耦合传热实验,测试了不同充液率下的沸腾与凝结换热系数。研究结果表明：分别存在一个最佳的充液率使得蒸汽腔内沸腾或凝结换热系数达到最大值,沸腾和凝结换热系数达到最大值对应的充液率分别为33%和52%。在此充液率下,液位高度以及液面与冷凝面之间的空间大小适中,蒸发／沸腾与凝结之间具有较好的耦合传热关系,可最大程度地促进沸腾换热或凝结换热。(4)开展了内置丝网吸液芯对蒸汽腔平板热管传热性能的影响实验,对比了不同吸液芯结构或布置形式对蒸汽腔传热性能的影响,并观测了不同吸液芯结构或布置形式下蒸汽腔内的气液两相换热特征。研究结果表明：丝网吸液芯有助于增加蒸发壁面上的汽化核心,且气泡多在吸液芯与蒸发面接触区域的边角地带产生;内置阵列式吸液芯的蒸汽腔比十字形吸液芯蒸汽腔表现出了更好的传热性能：对于相变空间内充满卷式吸液芯的蒸汽腔,在实验的充液率范围内(20%-70%),顺重力条件下均能正常工作,使其表现出最小传热热阻的充液率为50%：加入丝网吸液芯后蒸汽腔内的气液两相工质运行状态相比无吸液芯时更加稳定,在相同热负荷下的沸腾过程没有表现出无吸液芯时存在的间歇性特点。(5)开展了反重力条件下蒸汽腔平板热管传热性能实验研究,分析了充液率、空间高度等对传热性能的影响规律,探索了蒸发面结构和吸液芯布置对气液工质循环的改善作用。研究结果表明：充满卷式吸液芯的蒸汽腔在反重力条件下的热阻随充液率的增加呈现出先减小后增大的趋势,热阻达到最小值对应的充液率为60%；随着受限空间高度的降低,蒸汽腔传热性能逐渐优化；采用分形槽道蒸发面结构和丝网组合式吸液芯有利于气液工质循环,能提高热管传热能力。
【关键词】：蒸汽腔 蒸发 凝结 气液两相流 流型
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK124;TK172.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-20
• 1.1 研究背景及意义11-12
• 1.2 蒸汽腔平板热管概述12-13
• 1.2.1 蒸汽腔平板热管结构特征及工作原理12-13
• 1.2.2 蒸汽腔平板热管的特点13
• 1.3 国内外研究现状13-18
• 1.3.1 蒸汽腔平板热管传热性能研究14-15
• 1.3.2 蒸汽腔平板热管强化传热技术研究15-17
• 1.3.3 受限空间内沸腾与凝结相变换热机理研究17-18
• 1.4 本论文的研究内容18-19
• 1.5 本章小结19-20
• 第二章 蒸汽腔平板热管内气液相变传热的可视化实验研究20-67
• 2.1 实验系统与方法20-28
• 2.1.1 蒸汽腔平板热管内相变传热可视化实验原理和系统20-26
• 2.1.1.1 实验原理20-21
• 2.1.1.2 实验系统21-26
• 2.1.2 蒸汽腔平板热管内相变传热可视化实验方法和步骤26-28
• 2.1.2.1 蒸汽腔充液26-27
• 2.1.2.2 可视化实验步骤27-28
• 2.2 蒸汽腔平板热管内气液相变传热的可视化实验结果分析28-49
• 2.2.1 蒸汽腔平板热管内气液两相工质运行状态的分析28-36
• 2.2.1.1 启动阶段28-31
• 2.2.1.2 准稳定运行阶段31-36
• 2.2.2 蒸汽腔平板热管内气液两相行为分析36-40
• 2.2.2.1 核态沸腾及气泡的长大36-37
• 2.2.2.2 气泡的聚并37-38
• 2.2.2.3 气泡的分裂38-39
• 2.2.2.4 气泡的冷凝39-40
• 2.2.3 蒸汽腔平板热管传热性能及其影响因素的分析40-49
• 2.2.3.1 热负荷的影响40-42
• 2.2.3.2 充液率的影响42-48
• 2.2.3.3 空间高度的影响48-49
• 2.3 蒸汽腔平板热管内蒸发与凝结传热特性的实验结果分析49-64
• 2.3.1 新型蒸汽腔平板热管结构简介50-55
• 2.3.2 两种蒸汽腔内热阻对比分析55-56
• 2.3.3 充液率的影响56-61
• 2.3.3.1 充液率对热阻的影响56-57
• 2.3.3.2 充液率对换热系数的影响57-59
• 2.3.3.3 红外热像图分析59-61
• 2.3.4 气液两相耦合传热可视化分析61-64
• 2.3.4.1 气泡与冷凝液之间的相互影响61-62
• 2.3.4.2 沸腾液与冷凝液之间的相互影响62-63
• 2.3.4.3 沸腾液与气泡之间的相互影响63-64
• 2.4 本章小结64-67
• 第三章 丝网吸液芯对蒸汽腔平板热管传热性能的影响研究67-81
• 3.1 十字形吸液芯对蒸汽腔平板热管传热性能的影响研究67-70
• 3.1.1 十字形吸液芯结构简介67-68
• 3.1.2 传热性能分析68-70
• 3.2 阵列式吸液芯对蒸汽腔平板热管传热性能的影响研究70-73
• 3.2.1 阵列式吸液芯结构简介70-71
• 3.2.2 传热性能分析71-73
• 3.3 卷式吸液芯对蒸汽腔平板热管传热性能的影响研究73-76
• 3.3.1 卷式吸液芯结构简介73-74
• 3.3.2 充液率的影响74
• 3.3.3 传热性能分析74-75
• 3.3.4 反重力条件下的工作性能75-76
• 3.4 吸液芯对蒸汽腔运行状态的影响分析76-79
• 3.5 本章小结79-81
• 第四章 反重力条件下蒸汽腔平板热管的传热性能研究81-90
• 4.1 实验方法简介81-83
• 4.2 实验结果与讨论83-88
• 4.2.1 充液率的影响83-84
• 4.2.2 空间高度和分形槽道的影响84-85
• 4.2.3 吸液芯结构的影响85-88
• 4.3 本章小结88-90
• 第五章 结论与展望90-93
• 5.1 结论90-92
• 5.2 创新点92
• 5.3 展望92-93
• 参考文献93-97
• 致谢97-98
• 攻读硕士学位期间取得的主要学术成果98

【参考文献】

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本文编号：823030