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微槽群结构热沉内流动和复合相变传热机理及应用研究

聂雪磊  
【摘要】:微槽群冷却方式在飞速发展的电力电子行业中具有很大的应用潜力,相关人员对微槽群冷却及其在电力电子行业中的应用进行了大量的研究工作。本文通过实验和理论研究的方法对毛细微槽群相关的一系列流动与传热问题进行了分析研究,并对其在激光器冷却中的应用进行了实验探索。 本文利用Micro-PIV系统对加热条件下毛细微槽群内液体的流动规律进行了实验观察,发现了毛细微槽群内液体流动时特有的逆流现象。通过对实验数据的处理和分析,发现微槽内的逆流现象随着加热端热流密度的增加会先增强,然后再减弱。逆流现象对微槽的宽度和深度都比较敏感。液体在微槽内的流动大致可以被分为顺流区域、逆流区域和转变区域。本文对微槽内液体逆流现象的成因进行了初步分析,认为微槽内的逆流现象主要是由于加热区域微槽表面液膜沿微槽轴向不均匀蒸发所引起的。 本文还利用改进的Micro-PIV系统对无加热情况下微槽内液体弯月面的形状进行了实验测试,第一次用实验的方法测得了微槽横截面内液体弯月面的形状。实验结果显示在硼硅玻璃为基体的毛细微槽横截面内液体弯月面的形状为抛物线形,这与以往文献中所认为的圆弧形不一致。文中利用软件Origin7.5对液体弯月面的形状进行了拟合,得到了液体弯月面形状的拟合公式,并对拟合公式进行了对比分析。在以上工作基础上,对前人在预测微槽内液体润湿高度时所使用的理论方法进行了修正,提出了利用竖直微槽中弯月面拟合公式的平均曲率减去对应尺寸水平微槽的液体弯月面的平均曲率作为计算竖直微槽的润湿高度的曲率,进而得到了新的理论润湿高度,并与旧的理论预测结果以及实验结果进行了对比,对比结果证明新的理论计算方法与实验结果的符合度更好。 本文用实验的方法测试了蒸馏水和乙醇等液体工质在竖直微槽群表面的润湿速度。在实验中发现,液体工质在微槽内的爬升过程是一个不均匀的过程。爬升初始时速度很高,然后爬升速度在极短时间内减到很小的值并逐渐降低为零。液体工质的种类影响其最大爬升高度,同时也影响液体的爬升速度。在此基础上,用理论分析的方法预测了毛细微槽群热沉的理论最大换热热流密度在竖直微槽群表面的分布状况。分析结果显示,不同工质在竖直微槽的不同位置处具有不同的理论最大换热热流密度。随着润湿高度的增加,微槽群热沉表面的最大换热热流密度由微槽液体入口处的最大值逐渐减小到润湿最高点处的零。 本文在毛细微槽群流动和传热的理论和实验等研究工作的基础上,针对固体激光器工作时发热量较大、工作温度较高的问题,利用微槽群复合相变技术和热电制冷技术(TEC)相结合的方法,设计了一套针对小型固体激光器的冷却系统,并在初次实验的基础上对系统进行了优化改进。对于发热量为95W、热流密度为15.8W/cm2的激光器,本冷却设计方案成功地将蒸发器表面的温度控制在26℃以下,温度的波动范围控制在±2℃,并且能够持续稳定地运行。系统运行中蒸发器的温度随冷凝器温度的升高而升高,随冷凝器温度的降低而降低;随着热源加热功率的提高,系统蒸发器和冷凝器的温度都有升高的趋势;TEC制冷片的制冷量和铜散热片的散热能力对系统的运行有很大的制约作用,要降低蒸发器和冷凝器的温度,需要提高TEC制冷片的制冷量和铜散热片的散热能力。


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