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喷雾冷却无沸腾区换热特性研究

王亚青  
【摘要】: 未来电子设备体积小、集成度高和功率密度高的发展趋势已使散热问题成为影响其发展的重要瓶颈。作为先进散热技术之一的喷雾冷却有着散热功率高、冷却均匀、无沸腾滞后效应、介质需求量小等特点,备受研究者关注。然而现有的研究,因实验条件的差异所得结论亦有所不同。对喷雾冷却的认识相对缺乏,且关注热点主要集中沸腾区,无沸腾区换热很少涉及。 鉴于此,本文重点对喷雾冷却中无沸腾区的换热特性进行理论以及实验研究。以水为冷却介质,采用半实心旋流式机械雾化喷嘴、实心机械雾化的喷嘴,对影响无沸腾换热特性的因素、强化换热方法等进行了较为系统的研究。 实验方面主要研究工作: 1、喷嘴雾化特性:运用相位多普勒粒子分析仪(PDPA)对实心、半实心喷嘴雾化特性进行测试分析。结果表明:液滴径向、轴向速度、粒径分布不均匀,半实心喷嘴非均匀性更为明显;半实心喷嘴雾化中心区有一旋流导致的回流区,对应于换热面有一明显的滞止区。回流区内液滴颗粒数密度小,速度、粒径均较边界处小。 2、研究喷嘴雾化特性、壁面粗糙度对换热特性的影响。结果表明,液滴速度、粒径、数量通量、介质质量通量共同影响着无沸腾区换热。结合理论分析与实验结果,研究发现:1)液滴速度、数量通量对换热有着积极的影响,因其增加会增加液膜扰动和运动速度;2)壁面温度对换热特性有着积极的影响,壁面温度越高液膜蒸发越快,换热增强;3)由于滞止区的存在,壁面温度分布不均匀,在平均温度为90℃时,局部区出现沸腾;4)粗糙度越大,换热性能越强。此外,本文对雾化特性(液滴粒径、速度、质量通量)影响进行了较为系统的分析,提出质量通量为决定无沸腾区换热特性的最主要因素。 3、系统地研究了倾斜喷射时,喷嘴倾斜角度、喷射高度对喷雾换热特性的影响。通过对半实心旋流式机械雾化喷嘴倾斜喷射散热特性的研究,发现:1)当倾斜喷射底面椭圆长轴与换热面相切时换热性能最佳,此时的喷嘴高度为最佳喷射高度;其次为底面长轴与换热面内接和外接。2)倾斜角度在0-49°范围内变化时,倾斜角度越大对滞止区冲刷作用越强,换热增加。结合不同高度喷嘴雾化特性,对上述结论进行理论分析,给出倾斜喷射的角度限制条件和最佳高度计算关系式。 4、对刻有微槽道冷却面的换热特性进行了系统的理论和实验分析。采用实心机械雾化喷嘴,质量通量为44—53Kg/m2s时,研究结果表明刻有微槽道结构的散热面可明显增强换热性能。对于槽道高度较小(0.1mm)的工况,面积增加比例超过了热流增加比例。槽道高度较大时(0.2mm、0.4mm),热流增加比例远小于面积增加比例。结合喷嘴雾化特性和理论分析发现当槽道高度较小时,其不仅增加了换热面积,更有利于液膜的扩散,减小液膜厚度,换热系数增加;本文的实验工况下,高度为0.2mm微结构槽道换热最佳,其次为0.1mm和0.4mm微槽。 5、研究了喷雾冷却中无沸腾区换热关系式。对本文的实验结果进行无量纲化处理,发现影响无沸腾区换热的主要因素为包括反映质量通量的Re数,表征粒径、液滴速度综合效应的Weber数及本文提出的与壁面温度相关的无量纲温度ξ。对实心喷嘴高流量(240Re527)、半实心喷嘴小流量(116.2Re289.2),给出了无量纲关系式。与文献中已有的关系式比较,发现本文经验关系式能更好反映无沸腾区换热的实际状况,误差更小,运用范围更广。 理论研究方面: 重点考察了沸腾区中“二次成核”对换热特性的影响。基于喷雾冷却换热原理和气泡-液滴动力学基本知识,对有气泡产生的换热表面进行数值研究,研究成核范围系数β成核系数φ变化对换热的影响,提出了反映换热特性的最佳成核范围系数β和成核系数φ。研究结果表明,随着成核系数φ增大,换热性能变好。当φ6时,换热性能随着成核系数的增强不明显;成核范围系数β=8为极值位置,增大或者减小都使得换热性能减弱。通过φ=6,β=3,5,8,10的各种情况下的换热量计算,并与Cho,Ponzel提出的经验公式所计算结果进行比较,发现在β=8,10的时,本文计算结果与经验公式结果符合很好,由此可以得出φ,β的最佳值分别为6,8.


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