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微槽道结构热管内气液两相流与传热特性的研究

禹法文  
【摘要】:微槽道结构热管具有结构紧凑、无泵驱动、传热性能好的优点,已成为有限空间高热流密度设备散热的重要传热元件,在微电子机械系统(MEMS)、航空航天热控系统、能源热转换等领域有广泛的应用。与传统吸液芯热管不同,微槽道结构热管可依靠重力和微槽道的毛细力实现热管气液两相工质循环。微槽道结构产生的气液界面张力对热管内的气液两相流行为及相变传热特性产生了重要影响。因此,开展微槽道结构热管内气液两相流行为与相变传热特性的研究,对揭示微尺度气液两相流动力学和微尺度相变传热学具有重要的科学意义,也将对微槽道结构热管的推广应用提供理论指导和技术支撑。伴随着重力热管的小型化,微槽道结构产生的气液界面张力将对重力热管内气液两相流动和相变传热产生重要影响,但是,微槽道尺度效应对重力热管内复杂的气液两相流动和传热传质行为的影响机理目前还未得到充分揭示,特别是微槽道重力热管的脉动流工作模式及其脉动流动传热非线性机理的认识还不够。再者,重力和毛细力耦合作用下轴向微槽道热管内蒸发相变传热特性的研究亟待开展。并且,现有微槽道平板热管内毛细流动的可视化实验还处在二维流型图像的提取,对微槽道平板热管内三维气液界面重建缺少量化描述。此外,在数值研究方面,有关微型平板重力热管内气液相变传热的模拟工作也非常缺少。为此,本论文实验研究了微槽道重力热管两相流动力学特性,并对脉动流状态的温度脉动行为开展了非线性分析;实验研究了重力辅助轴向微槽道热管蒸发相变传热特性;采用光学分层显微成像法开展了微槽道平板热管气液两相界面的三维重建描述;基于格子Boltzmann方法建立了微型平板重力热管内气液相变传热过程的理论模型,数值研究了受限微结构内沸腾-冷凝耦合相变传热特性。概括起来,本论文的主要研究内容及研究结论如下:(1)微槽道重力热管两相流动力学特性的实验研究开展了槽道深度为1mm,7种不同宽度(0.5、1、1.5、2、2.5、3、4mm)铝制槽道的甲醇和乙醇两种工质微槽道重力热管垂直工作状态的可视化实验研究,观测并定义了热管垂直工作时气液两相运行的三类典型工作状态,并建立了热负荷和通道尺寸对热管热动力学行为影响的统一流型图。实验结果表明,除存在池状流和环状流,微槽道重力热管内还存在脉动流工作状态。脉动流伴随着液塞的随机形成和脉动。池状流和环状流分别对应较小和较大的Weber数,脉动流对应的Weber数介于池状流和环状流之间,且数值略小于0.7。脉动流工作状态的传热特性优于池状流的情况,其传热特性介于池状流和环状流之间。膜态蒸发和冷凝及热传导是池状流工作状态的主要传热形式,脉动流工作状态热管主要靠强制蒸发和冷凝实现换热,膜态蒸发和冷凝是环状流状态热管传热的主要途径。低热负荷工况,热管主要依靠壁面导热实现传热,充液率对热管壁面温度响应及壁面轴向温度分布的影响均较小,充液率对高热负荷工况的两相流动状态和传热特性有显著影响,中等充液率时,在蒸汽和液塞的交替冲刷作用下,热管各段壁面温度均表现出脉动特性。(2)微槽道重力热管脉动流动传热特性的非线性分析开展了1mm×1mm铝制槽道乙醇工质微槽道重力热管垂直工作脉动流状态的可视化实验研究和测温实验,观测并定义了热管脉动流状态液塞的两种典型脉动类型,并借助现代自相关(AR)模型功率谱分析方法对脉动流状态热管的壁温脉动特性进行了定量分析。研究表明,微槽道重力热管脉动流状态气液两相的脉动主要有单通道独立脉动和邻道干扰脉动两种类型,分别对应中等热负荷和高热负荷的情况。单通道独立脉动以单根通道内液塞的随机形成和脉动为典型特征,单根通道内液塞和高温蒸汽对热管壁面的交替冲刷使得脉动过程中壁温脉动出现一个主频。邻道干扰脉动以单根通道内液塞的脉动和邻近通道内液塞的相互干扰脉动为典型特征,邻道干扰脉动的壁温脉动呈现高频和低频两个主频。(3)重力辅助轴向微槽道热管蒸发相变传热特性的实验研究借助高速显微成像系统和热红外测温技术,开展了小倾角工况下重力辅助轴向微槽道热管内气液两相流动及传热特性的可视化实验研究,阐明了蒸发段三种典型蒸发模式的两相分布特征和传热机理,分析了热负荷和工作倾角对重力辅助轴向微槽道热管蒸发段蒸发机理的影响,并基于Bond数和Weber数建立了定量描述蒸发机理的蒸发模式分布图。此外,还对小倾角工况重力辅助轴向微槽道热管角膜蒸发相变传热过程存在的超调启动和相界面不稳定特征进行了论述。实验结果表明,随着热负荷的增加,小倾角(θ=8°、θ=12°)情况下重力辅助轴向微槽道热管蒸发段内不仅出现了水平工作状态下出现的池表面蒸发模式和肋膜蒸发模式,还出现了小倾角工作状态重力辅助轴向微槽道热管蒸发段特有的角膜蒸发模式。微槽道内伴有复杂的气液两相界面随机脉动是角膜蒸发模式的典型特征。与池表面蒸发传热相比,肋膜蒸发模式下重力辅助轴向微槽道热管的相变传热能力显著提升。薄液膜区域的扩大使得角膜蒸发模式下蒸发段的传热性能优于肋膜蒸发模式。小倾角作用下重力辅助轴向微槽道热管启动过程中蒸发模式由肋膜蒸发向角膜蒸发模式转变造成了蒸发段壁面温度的超调,气液界面的不稳定脉动是蒸汽流动对矩形槽道尖角和槽道下部冷凝液不均匀携带作用的结果。(4)微槽道平板热管内气液相界面的可视化实验研究开展了0.5mm×0.5mm乙醇工质石英材质微槽道平板热管准稳定运行时气液界面的可视化实验,并基于光学分层显微成像原理实现了对微槽道平板热管两相界面分布的三维重建,分析和讨论了冷凝段、绝热段和蒸发段的气液两相三维分布特征和传热机理。实验结果表明,微槽道平板热管水平准稳态工作时,重力对槽道内轴向液层和径向液层分布的影响较小,液层近乎对称分布在正方形槽道的尖角区或对称覆盖着槽道壁面。与重力的影响不同,表面张力对液相分布的影响较显著。在表面张力作用下,冷凝段液塞处的气液两相界面呈对称性较好的子弹头形状分布在热管槽道中心区域,且弹头端指向冷凝端。液塞之外的区域,不同深度气液两相界面均在表面张力作用下形成由液相指向气相的凹弯月面。沿热管轴向冷凝端与蒸发端液相弯月面曲率半径之差导致的毛细压差,使得冷凝液由冷凝段经绝热段流动到蒸发段以补充蒸发段因蒸发造成的液相工质的减少。(5)微型平板重力热管内沸腾-冷凝相变传热的数值研究基于格子Boltzmann方法和有限差分格式,建立了微型平板重力热管受限微小空间气液相变传热特性研究的理论模型。研究了微型平板重力热管受限微小空间内沸腾-凝结相变的气液两相流动特性和热力学行为,特别关注了表面润湿特性对气泡和液滴流体动力学行为和传热特性的影响。研究表明,沸腾和冷凝之间的相互作用主要表现在凝结水滴的滴落。一方面,落下的液滴可以直接接触生长的气泡,这加速了气泡的破裂,促进了汽-液热交换。另一方面,液滴落入过热液体中,从而导致液体在沸腾池中产生相对运动,这可能导致气泡的运动或脱离。表面润湿特性对受限空间沸腾气泡的动力学特性和热力学特性有重要影响。随着接触角的增大,亲水表面的热响应时间短于疏水表面的热响应时间。相应地,疏水表面保持比亲水表面更高的稳态温度。核态沸腾开始时壁面温度受表面润湿特性的影响,当亲水表面由于液体微层而产生气泡时加热表面的温度降低。而对于疏水表面,加热表面的温度则显示出轻微的增加趋势。本文的研究工作较为系统地研究示了微槽道结构热管内气液两相流与传热特性,探究了微槽道重力热管内复杂的气液两相流动和传热传质行为及机理,揭示了微小倾斜状态下微槽道热管蒸发传热机理的影响,给出了微槽道平板热管蒸发段、绝热段和冷凝段的气液两相三维分布特征,探索了微型平板重力热管受限微小空间内沸腾-冷凝相变过程的相互作用机制及沸腾-凝结相变的气液两相流动特性和热力学行为。本文的相关研究成果可为工程应用中微小型热管的优化设计提供有力理论支持,也是对微尺度气液两相流和相变传热机理的重要补充。


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