微通道冷板流动沸腾换热特性仿真与实验研究

发布时间：2020-09-14 08:29

　　随着相控阵雷达的集成化程度越来越高,传统冷却技术已经不能满足其有限空间和高效散热的要求,探索新型高效的冷却方式是亟待解决的问题。微通道流动沸腾换热因其尺度小换热性能明显提升,因此成为相控阵天线热控方式的研究热点。在微通道流动沸腾换热过程中,由于汽泡行为导致的流动稳定性及传热可靠性更为复杂,为了进一步加深两相流动的换热特性研究,弥补现阶段对微通道冷板散热器实验研究的不足,本文主要研究内容如下:(1)矩形微通道流动沸腾换热过程的仿真方法研究。通过对多相流模型和传热传质模型的深入分析,提出了一套针对微通道流动沸腾换热过程的数值仿真方法,并以单根矩形水平微通道为研究对象进行了两相流仿真。重点分析了通道内的汽泡行为(脱离与聚并等动态行为)及流型演变(泡状流、弹状流与拉伸汽泡流)对微通道压降、散热特性的影响,得出了两相流过程中微通道的压降、散热特性规律。(2)微通道冷板散热特性正交实验与两相流实验研究。针对现有实验方案的不足,设计了冷板液冷散热正交实验方案,以32阵及128阵冷板的最高温度与均温性为指标,采用极差和方差分析的方法区分了各因子(入口温度,入口流量与热流密度)的主次顺序及显著性水平。为探究冷板在流动沸腾状态下的真实散热特性,设计了两相流实验方案,构建了针对具有复杂拓扑结构的三维微通道冷板流动沸腾换热过程的稳态数值模拟方法,仿真结果与两相流实验结果匹配良好,最大误差小于10%。(3)微通道冷板随机振动散热特性的实验与仿真研究。振动是产品失效的主要环境因素之一,为确保冷板在随机振动状态下亦能正常工作,设计了冷板随机振动实验方案,搭建了振动实验平台并制定了振动实验步骤。基于振动实验结果分析,得到了微通道冷板在随机振动状态下的散热特性规律。同时利用MATLAB软件和ANSYS Workbench平台,采用热-流-固双向耦合方法对三维冷板在随机振动状态下的温度场与流场进行了仿真,仿真结果很好地解释并验证了实验结论。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TK124;TN958.92
【部分图文】：

热流密度,发展趋势,组件,有源相控阵雷达

着军事作战环境日趋复杂，作为现代军事战场上的“眼睛”—雷达，重的作用。有源相控阵雷达，由于具有探测距离远、多目标跟踪精和隐身性能好、可靠性高及应用领域广泛等优异的总体性能特点，达的发展方向[1]。有源相控阵雷达的天线主要由 T/R 组件、移相器、电网络等构成[2]。当天线工作时，天线结构内部 90%的热量都来自 T/况下，相控阵雷达天线阵面包含有成千上万个 T/R 组件，这些发热起构成一个大的发热源，如何将这发热源所产生的庞大热量散发出天线的探测精度及工作寿命。于相控阵雷达天线的集成化程度越来越高、热流密度不断增大，传冷却方式如自然冷却、强迫风冷和强迫液冷等已经无法满足相控阵的散热要求。据美国海军推测，未来 T/R 组件的热流密度将/cm2，如图 1-1 所示[3]。一旦天线的工作温度超标，则不能保证其预和工作寿命。如何对有源相控阵雷达天线进行有效的热控设计，是的问题，具有重要的学术意义和应用价值。

流型图,流动沸腾,流型图,常规

1oh l vCD g hD 为通道水利直径，m ；为表面张力， N /m ；g 为重力加速度，相密度，3kg /m ；v 为汽相密度，3kg /m 。文第二章对矩形微通道流动沸腾换热过程的数值研究中，以水为冷二种通道划分方式，按式（1-1）计算得通道的限制数 Co 为 0.818，条件，因此认定为微通道。微通道流动沸腾换热流型演变通道流动沸腾换热流型演变是研究传热传质的基础。微尺度下液体动沸腾时，由于部分液体被汽化，所产生的蒸汽会掺混入液流，因会呈现出多种不同形式的流型[18,19,20]。由于微通道结构尺寸、入口性参数以及两相接触方式等均会对流型产生一定的影响，因此目前具有普适性的流型图。常规水平通道内的流动沸腾流型如图 1-2 所

矩形微通道,物理模型,二维,宽度尺寸

电子科技大学硕士学位论文形微通道为仿真研究对象。即忽略实际散热过程中宽度方向上的温度梯度，为该通道的宽度尺寸远远大于高度尺寸 H，默认其宽度尺寸为 1m。该微通道左、右两侧分别为进、出口，顶端为绝热边界条件，底端为恒热度加热面，计算模型如图 2-1 所示。为了缩短计算时间，假定汽液相的物性参不随温度变化。由于流动沸腾过程中汽泡亦会沿高度方向运动，因此仿真过考虑重力的影响。

【参考文献】