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振荡热管传热机理及传热性能的研究

马永锡  
【摘要】: 电子器件日益严峻的散热问题促使振荡热管这种新型高效的传热元件倍受瞩目。与普通热管不同,振荡热管不是单纯的相变传热,而是集显热传热、相变传热、膨胀功于一体,涉及多物理学科的复杂汽液两相流系统,到目前人们还不能清楚地解释其机理。 本论文研究的主题是“振荡热管的传热机理及传热能性”,旨在探求影响因素与振荡热管传热性能间的关系,传热性能的定性定量评价方法,以及振荡热管内部振荡流、传热及传质间内在的关系。本文提出了将试验设计和统计分析技术应用于传热性能的多因素分析;完善了毛细尺度下稳态液膜蒸发传热传质特性;建立了详细的振荡热管系统质量、能量和动量守恒控制方程,首次对振荡热管的传热机理作了初步完善的解释;首次推导出振荡热管当量导热系数的定性表达式,并提出了利用求解“导热反问题”的方法定量研究其当量导热系数。 本文的具体研究工作包括如下几个方面: (1)振荡热管传热性能的多因素分析研究是以铜-水闭合回路振荡热管为对象,研究充液率、倾斜角度、加热水流量与传热功率间的关系。首先采用中心复合试验设计合理地安排传热性能试验;然后采用统计技术处理试验数据,其中包括:假定传热功率与影响因素之间满足二阶多项式非线性关系;采用最小二乘法估计二阶模型的系数,并验证二阶模型的合理性;采用方差分析研究各因素及其交互作用影响的显著性程度;对回归模型求极值,得出最佳传热性能条件下因素的最优组合。结果显示:得出的二阶多项式非线性模型较好地反映了三个影响因素与传热功率间的关系;在三个研究因素中,倾斜角度的影响最为显著,其次是加热水流量和充液率,但他们间的交互影响不显著。 (2)振荡热管基础理论研究是分别对其内部的液膜行为、液塞行为和汽泡行为进行分析,研究毛细管内液膜的稳定性、轮廓和传热传质特性,液塞受力和汽泡作功等物理现象。重点研究了毛细管内液膜稳态蒸发特性:在Nusselt膜理论假定的基础上,结合毛细管内液膜的特点,考虑液膜附加压力、界面热阻、液膜过热度,分别对液膜的平衡区、过渡区和宏观区建立了稳态蒸发模型相应的控制方程。以石英玻璃毛细管内水液膜蒸发为例,采用Runge-Kutta方法进行数值计算,结果显示:热质传递发生在过渡区和宏观区,在过渡区与宏观区的分界线附近具有很高的传热系数;与宏观区相比,过渡液膜区域长度很小,为微米级,但对整个液膜传热传质有相当的影响;脱附压力与毛细作用分别在过渡区和宏观区的附加压力中占主导地位。


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