收藏本站
《中国科学技术大学》 2018年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

闪蒸及喷雾液滴特性对喷雾冷却强化换热的影响

陈华  
【摘要】:随着超级计算机、航天电子设备、激光技术等领域的飞速发展,电子器件的发热功率日益增长。由于电子器件对工作温度非常敏感,电子器件热控系统对散热密度、温控精度、可靠性等指标的要求越来越高。喷雾冷却由于散热功率大、冷却效率高、综合性能好等优点,正逐渐取代传统散热方式,成为解决高发热电子器件散热问题的主要手段之一。为了进一步分析喷雾冷却的传热机理、增强喷雾冷却的换热性能、解决喷雾冷却在实际应用中的关键问题,本文重点研究了喷雾液滴特性(包括液滴闪蒸特性、压电雾化特性和液滴撞击特性)对喷雾冷却强化换热的影响。首先,针对航天热控的真空环境,本文建立了真空闪蒸条件下的喷雾冷却传热模型,研究了闪蒸对喷雾液滴特性和喷雾冷却换热特性的影响,得出了各种参数对喷雾冷却换热机制的影响机理和内在规律。模型中液滴闪蒸模型采用基于扩散控制蒸发方程的热导率修正模型,液膜闪蒸模型采用基于膜渗透理论的瞬态传质模型,经验证,该模型与实验结果吻合较好。研究结果表明:喷雾初始温度、喷雾流量、喷雾高度和喷雾张角都是影响闪蒸喷雾冷却换热特性的重要参数;闪蒸对喷雾冷却换热的强化效果显著;与普通喷雾冷却相比,闪蒸喷雾冷却具有更高的工质潜热利用率,能够在小流量下,达到更好的散热效果;液滴撞击壁面换热和液膜闪蒸换热是闪蒸喷雾冷却中的主要换热机制;喷雾液滴闪蒸可以显著降低液滴温度,从而增强喷雾冷却液膜流动换热和液滴撞击壁面换热,最终增强喷雾冷却整体换热性能。该研究为闪蒸喷雾冷却的工程应用和优化设计提供了理论基础。研究表明,喷雾流量和喷雾特性对喷雾冷却换热性能具有很大影响。然而,目前普遍使用的压力旋流喷嘴存在喷雾特性难以控制、喷雾流量大、雾化不均匀、需要压力泵等缺点。为了改进喷嘴在小流量时的雾化特性,本文研制了适用于喷雾冷却系统的压电雾化喷嘴,建立了压电雾化喷雾冷却传热特性实验平台,并对压电雾化喷嘴的喷雾特性及压电雾化喷雾冷却的传热特性进行了系统的实验研究。研究发现:压电雾化喷嘴在小流量下具有喷雾参数可控、不需要压力泵、自身功耗低、结构紧凑等优点;与压力旋流喷嘴相比,压电雾化喷嘴具有更好的雾化性能,即喷雾分布更加均匀、不存在中间空心区。压电雾化喷嘴的这种喷雾特性使得压电雾化喷雾冷却的壁面温度分布更加均匀,同时可以利用更少的流量实现更高的换热密度;随着喷嘴孔径的增大,喷雾流量增大,压电雾化喷雾冷却的换热密度也随之增大,但是喷雾冷却效率却随之降低。根据实验结果,本文得出了压电雾化喷雾冷却换热密度和喷雾冷却效率随喷雾流量变化的关联式,对压电雾化喷雾冷却的工程应用和系统优化具有重要的参考价值。由于液滴撞击壁面对喷雾冷却换热特性影响很大,为了深入研究喷雾冷却换热机制的细节,并进一步提高喷雾冷却换热特性,本文提出了采用高醇类表面活性剂来提高液滴撞击壁面的动态莱氏温度的方法,并利用高速摄影技术对液滴撞击高温壁面的动态莱氏温度和铺展特性进行了研究。研究结果表明:表面活性剂对液滴撞击高温壁面的动态莱氏温度和铺展特性影响很大,正辛醇和异辛醇表面活性剂均能显著提高动态莱氏温度,最高能够提升65℃;动态莱氏温度随表面活性剂浓度和液滴撞击动能的增大而升高,最大铺展因子随表面活性剂浓度和液滴撞击动能的增大而增大。根据实验现象,本文基于气泡破裂和气泡聚合机理,对动态莱氏温度的提升机理给出了相应的解释。在实验结果和机理分析的基础上,为了理解高醇类表面活性剂对动态莱氏效应的影响机理,本文采用韦伯数和奥内佐格数作为准则数,总结了动态莱氏温度和最大铺展因子的关联式。最后,在充分理解喷雾冷却换热机理和影响因素的基础上,为了进一步发挥喷雾冷却技术的独特优势,本文提出了基于喷雾冷却技术的超算中心高能效热控系统,并且评估了该系统的冷却性能、节能效果和经济效益。本文新型冷却系统把即插式喷雾冷却系统和废热驱动式吸收式制冷系统相结合,其中,喷雾冷却系统用于运算机柜的冷却,降低冷却系统的功耗;吸收式制冷系统不仅能够回收利用喷雾冷却系统的废热,而且能够降低空调系统的热负荷。通过与曙光5000A超级计算机原始冷却系统相比较,本文研究发现:新型冷却系统的节能效果显著,工质入口温度对系统性能影响很大;在最佳运行工况时,该系统制冷能效因子(CLF)低至0.22,说明新系统的冷却效率很高;能源使用效率(PUE)低至1.44,实现了理想型超算中心的最佳实践方案;系统节能效率(ESE)可达49%,具有很高的节能效果;新型冷却系统的投资回收期仅为1.5年,具有很高的经济效益。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TK124

【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 张颖琪;;数据中心的合理化冷却方案[J];华东科技;2017年05期
2 王瑜;蒋彦龙;周年勇;;机载喷雾冷却换热特性关键影响因素实验研究[J];中国测试;2016年05期
3 赵增武;韩毅;张亚竹;魏万洪;史航;高泽楠;;单液滴撞击高温钢板表面铺展特性实验研究[J];科学技术与工程;2016年14期
4 肖皓斌;;一种新型数据中心冷却方案及其能耗特性分析[J];制冷与空调;2016年07期
5 梁刚涛;牟兴森;郭亚丽;沈胜强;张吉礼;;液滴冲击加热壁面沸腾现象特征分析[J];化工学报;2016年06期
6 程文龙;胡磊;陈华;章玮玮;谢标;;真空闪蒸喷雾冷却中非等温液滴闪蒸特性的研究[J];真空科学与技术学报;2015年04期
7 孙文超;黄赟;;数据中心能耗模型分析与研究[J];上海节能;2014年01期
8 田志鸿;;旋转闪蒸干燥工艺及其在滤饼干燥中的应用[J];化工装备技术;2013年04期
9 周诗贵;习俊通;;压电驱动膜片式微滴喷射仿真与尺度一致性试验研究[J];机械工程学报;2013年08期
10 陈曦;李浩莹;;一种新型振动网孔式雾化器的设计[J];机械与电子;2013年02期
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 韩丰云;喷雾冷却传热特性、传热强化及温度不均匀性研究[D];中国科学技术大学;2011年
2 赵锐;喷雾冷却传热机理及空间换热地面模拟研究[D];中国科学技术大学;2009年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 刘洪哲;李松;周勇;鄂晓征;徐国强;;柔性基底喷墨打印墨滴数值模拟与实验[J];包装工程;2018年05期
2 陈鹏飞;徐云飞;孙策;洪流;李龙飞;;多射流喷射器的压电激励特性[J];航空动力学报;2017年08期
3 朱东彬;楚锐清;张晓旭;程娥;张争艳;曲云霞;孙晨;段国林;;陶瓷喷墨打印机理研究进展[J];机械工程学报;2017年13期
4 吴姗;肖渊;刘金玲;张津瑞;申松;;织物表面不同序列喷射打印成型导线实验研究[J];西安工程大学学报;2017年02期
5 张津瑞;肖渊;申松;刘金玲;吴姗;;气动式微滴喷射控制系统的设计与实现[J];西安工程大学学报;2017年01期
6 王成硕;贺建芸;迟百宏;刘丰丰;杨卫民;焦志伟;;聚丙烯熔体微滴堆叠的成形精度控制[J];塑料;2017年01期
7 刘璐;刘琰;马文静;米梦龙;宗露香;;真空环境下乙酸液滴过冷凝固过程传热传质特性[J];真空科学与技术学报;2017年02期
8 王堃;习俊通;;压电膜片式微喷的多场耦合仿真模型及其应用[J];中国机械工程;2017年02期
9 刘璐;刘琰;马文静;蔡小刚;刘彦丰;;蔗糖溶液液滴真空闪蒸特性实验研究[J];真空科学与技术学报;2017年01期
10 包仁标;;冷通道隔离在改善数据中心机房局部热点中的应用研究[J];现代建筑电气;2016年12期
中国博士学位论文全文数据库 前6条
1 陈华;闪蒸及喷雾液滴特性对喷雾冷却强化换热的影响[D];中国科学技术大学;2018年
2 章玮玮;紧凑型喷雾冷却系统强化换热的研究[D];中国科学技术大学;2017年
3 王瑜;机载闭式喷雾冷却系统性能实验及特性研究[D];南京航空航天大学;2016年
4 周年勇;机载喷雾冷却特性的实验与研究[D];南京航空航天大学;2016年
5 韩丰云;喷雾冷却传热特性、传热强化及温度不均匀性研究[D];中国科学技术大学;2011年
6 刘东;高热流密度微结构散热器换热特性的研究[D];中国科学技术大学;2011年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 高文忠;时亚茹;曹丹;Keith Anderson;;氯化锂溶液液滴真空闪蒸过程温度分布特性研究[J];真空科学与技术学报;2014年03期
2 孙文超;黄赟;;数据中心能耗模型分析与研究[J];上海节能;2014年01期
3 刘炅辉;孙皖;刘秀芳;侯予;;喷雾腔压力及喷嘴孔径对相变喷雾冷却性能的影响[J];强激光与粒子束;2013年10期
4 梁刚涛;郭亚丽;沈胜强;;液滴低速撞击润湿球面现象观测分析[J];物理学报;2013年18期
5 蓝美娟;李媛;王喜世;;单液滴撞击受热枫桦木炭化表面的实验研究[J];化工学报;2013年08期
6 梁刚涛;沈胜强;郭亚丽;陈觉先;于欢;李熠桥;;实验观测液滴撞击倾斜表面液膜的特殊现象[J];物理学报;2013年08期
7 毕菲菲;郭亚丽;沈胜强;陈觉先;李熠桥;;液滴撞击固体表面铺展特性的实验研究[J];物理学报;2012年18期
8 章学来;王为;李志伟;李晓菲;于美;刘小微;;静止水滴真空闪蒸模型及实验研究[J];工程热物理学报;2012年08期
9 杜王芳;赵建福;李凯;;快速减压条件下液滴热动力学行为的实验研究[J];工程热物理学报;2012年08期
10 辛娟娟;周致富;辛慧;陈斌;王国祥;郭烈锦;;单个液滴蒸发模型中不同质量传递公式的有效性分析[J];化工学报;2012年06期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 赵锐;喷雾冷却传热机理及空间换热地面模拟研究[D];中国科学技术大学;2009年
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 董淑贤;田守训;顾志兴;;温挤模的喷雾冷却装置[J];机械制造;1985年02期
2 曹焕元;一种新颖喷雾冷却装置在我院问世[J];江苏工学院学报;1989年04期
3 马彪,孙奎升,顾祖慰,朱烈光;喷雾冷却技术的试验研究[J];汽轮机技术;1992年01期
4 张悦;自制简易的正火喷雾冷却装置[J];现代制造工程;2002年11期
5 张国琪;喷雾冷却节电新技术在湘钢的应用[J];大众用电;2003年10期
6 刘剑,缪佳兴;喷雾冷却技术及其应用[J];工具技术;2004年11期
7 程文龙;刘期聂;赵锐;范含林;;喷雾冷却发热壁面温度非均匀性实验研究[J];热科学与技术;2008年04期
8 孙纪远;朱冬生;王正东;涂善东;;低温表面大流量无沸腾喷雾冷却试验研究[J];流体机械;2009年04期
9 王磊;陶毓伽;淮秀兰;王立;;添加表面活性剂的喷雾冷却实验研究[J];激光与光电子学进展;2009年10期
10 程文龙;赵锐;韩丰云;刘期聂;范含林;;封闭式喷雾冷却传热特性的实验与理论研究[J];宇航学报;2010年06期
中国重要会议论文全文数据库 前9条
1 杨嘉;陈国泰;吴祥生;张宏宇;戴通涌;;喷雾冷却系统在风冷式冷水机组中的应用研究[A];全国暖通空调制冷2010年学术年会论文集[C];2010年
2 李彦良;;喷雾冷却主动热防护技术应用效果数值分析[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年
3 司春强;邵双全;田长青;刘小朋;肖杨;;润滑油对喷雾冷却性能影响[A];走中国创造之路——2011中国制冷学会学术年会论文集[C];2011年
4 江浩杰;沈立刚;;高压变频调速技术在连铸喷雾冷却供水系统中的应用[A];自动化技术与冶金流程节能减排——全国冶金自动化信息网2008年会论文集[C];2008年
5 苗学舜;;无填料喷雾冷却塔的原理与应用[A];冷却塔研究会成立暨技术交流大会论文集[C];2004年
6 赵彦永;;液化烃储罐水喷雾冷却系统设计[A];’2001全国工业用水与废水处理技术交流会论文集暨水处理技术汇编[C];2001年
7 胡佳英;;切削加工中喷雾冷却技术的应用[A];2007年中国机械工程学会年会论文集[C];2007年
8 韩立涛;张俊峰;;喷雾冷却在超细晶粒钢生产中的应用[A];2006年全国轧钢生产技术会议文集[C];2006年
9 和礼堂;;碳素厂电扑焦油系统设计[A];第十一届全国电除尘学术会议论文集[C];2005年
中国重要报纸全文数据库 前3条
1 记者白茂槐 通讯员张俊;国内首创电弧炉一次烟气喷雾冷却净化工艺[N];中国冶金报;2010年
2 ;连续铸钢新技术问答[N];中国冶金报;2003年
3 特约撰稿 王恒月;空调器会否因非典而“变脸”?[N];中国电子报;2003年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 章玮玮;紧凑型喷雾冷却系统强化换热的研究[D];中国科学技术大学;2017年
2 蔡玉飞;振动微锥孔式雾化器原理及冷却应用研究[D];南京航空航天大学;2016年
3 王瑜;机载闭式喷雾冷却系统性能实验及特性研究[D];南京航空航天大学;2016年
4 周年勇;机载喷雾冷却特性的实验与研究[D];南京航空航天大学;2016年
5 陈华;闪蒸及喷雾液滴特性对喷雾冷却强化换热的影响[D];中国科学技术大学;2018年
6 韩丰云;喷雾冷却传热特性、传热强化及温度不均匀性研究[D];中国科学技术大学;2011年
7 赵锐;喷雾冷却传热机理及空间换热地面模拟研究[D];中国科学技术大学;2009年
8 谢宁宁;喷雾冷却及其换热强化的实验与理论研究[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2012年
9 张震;微纳米表面喷雾冷却的机理研究[D];清华大学;2013年
10 侯燕;多喷嘴喷雾冷却实验研究与数值模拟[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2014年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 王合旭;高热流密度环境下喷雾冷却系统的设计与研究[D];南京航空航天大学;2014年
2 王军;阵列喷雾冷却换热特性及表面温度均匀性实验研究[D];南京理工大学;2016年
3 鲁森;喷雾冷却换热特性研究及在圆筒冷却机中的应用[D];山东理工大学;2016年
4 任哲钒;机载喷雾冷却特性的实验研究与数值模拟[D];南京航空航天大学;2016年
5 邓如应;竖直运动热源壁面喷雾冷却液膜流动及传热研究[D];武汉科技大学;2016年
6 周华琴;热表面脉冲式喷雾冷却的实验研究[D];天津大学;2007年
7 孙发明;喷雾冷却建模与仿真分析[D];西安电子科技大学;2009年
8 刘媛;间歇式喷雾冷却高热流表面机理研究[D];天津大学;2008年
9 王磊;喷雾冷却及其影响因素的实验与数值研究[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2009年
10 赵亮;循环喷雾冷却实验系统设计及喷雾冷却实验研究[D];西安电子科技大学;2010年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026