真空閃蒸噴霧冷卻傳熱特性研究.pdf

1、隨著航天技術(shù)的發(fā)展，航天設(shè)備的發(fā)熱功率日益增長(zhǎng)，在高速航天器再入過程中存在著高熱流密度的氣動(dòng)熱防護(hù)問題。因此，如何在航天器在軌及再入條件下，實(shí)現(xiàn)高熱流密度散熱以保證航天器安全穩(wěn)定的工作，已經(jīng)成為航天熱控技術(shù)發(fā)展的瓶頸。真空閃蒸噴霧冷卻由于散熱密度大、溫控效果好、冷卻效率高、所需工質(zhì)流量少等優(yōu)點(diǎn)，被NASA確定為一種優(yōu)先考慮的空間熱控方案。同時(shí)，隨著電子集成及高功率激光技術(shù)的發(fā)展，真空閃蒸噴霧冷卻也可以作為這些領(lǐng)域的一種高熱流密度散熱方式

2、。但是，作為一種新型的熱控方法，在公開文獻(xiàn)中，還很少發(fā)現(xiàn)與真空閃蒸噴霧冷卻相關(guān)的詳細(xì)研究報(bào)告。本文針對(duì)真空閃蒸噴霧冷卻的傳熱特性、傳熱機(jī)理及傳熱強(qiáng)化方法，展開了系列實(shí)驗(yàn)研究。
　　首先，針對(duì)航天器真空條件下的熱控環(huán)境，本文搭建了真空閃蒸噴霧冷卻的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用實(shí)驗(yàn)方法研究了閃蒸噴霧冷卻的傳熱特性，并得出了關(guān)鍵參數(shù)對(duì)閃蒸噴霧冷卻傳熱的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:閃蒸噴霧冷卻可以有效降低發(fā)熱表面的表面溫度，并減小表面溫度的不均勻性;在閃蒸

3、噴霧冷卻中，存在著使得散熱熱流密度達(dá)到最大的最佳噴霧高度;與常壓噴霧冷卻相比，由于液體在真空環(huán)境下的閃蒸使得工質(zhì)的潛熱得到更加充分的利用，因此，閃蒸噴霧冷卻工質(zhì)利用效率高，在實(shí)現(xiàn)相同散熱密度時(shí)所需流量?jī)H為常壓噴霧冷卻的三分之一;但不同于常壓噴霧冷卻的是，在閃蒸噴霧冷卻中，存在著最佳噴霧流量使得閃蒸噴霧冷卻獲得最佳的傳熱效果。該研究為閃蒸噴霧冷卻的工程應(yīng)用，特別是對(duì)需要嚴(yán)格控制重量的空間熱控提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　為了探索閃蒸噴霧冷卻

4、可行的散熱強(qiáng)化方法，本文利用上述實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究了納米流體對(duì)閃蒸噴霧冷卻傳熱特性的影響。納米流體由10nm、20nm以及30nm粒徑的Al2O3納米顆粒在不同濃度下與水混合制備而成。研究發(fā)現(xiàn):當(dāng)被冷卻表面的溫度小于80℃時(shí)，三種粒徑的納米顆粒對(duì)閃蒸噴霧冷卻的傳熱效果幾乎沒有影響;但當(dāng)被冷卻表面溫度大于90℃時(shí)，不同粒徑的納米顆粒對(duì)閃蒸噴霧冷卻散熱特性呈現(xiàn)出不同的影響效果，粒徑10nm的Al2O3納米顆?？梢詫?duì)閃蒸噴霧冷卻的傳熱起到一定的增強(qiáng)

5、作用，而20nm和30nm的Al2O3納米顆粒卻對(duì)傳熱起阻礙作用，出現(xiàn)這種情況的原因可能是由于納米顆粒本身的吸附和沉降，使得大粒徑的納米顆粒更容易吸附在一起形成納米微團(tuán)，從而影響了液滴閃蒸和液膜對(duì)表面的沖刷作用，造成傳熱惡化。
　　為了進(jìn)一步分析納米流體中納米顆粒以及分散劑的作用，本文用氧化鋁納米顆粒配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1％的納米流體，并以PVP作為納米流體的分散劑，分別研究不同濃度的PVP對(duì)納米流體傳熱特性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:在

6、閃蒸過程中，分散劑由于在真空環(huán)境中的揮發(fā)，使得其對(duì)傳熱特性的影響幾乎可以忽略;但在常壓下的普通噴霧冷卻過程中，分散劑以及帶有分散劑的納米流體對(duì)噴霧冷卻的傳熱具有明顯的強(qiáng)化作用，并且，后者的強(qiáng)化效果會(huì)隨著分散劑濃度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，因此，存在一個(gè)最佳的分散劑添加濃度使得傳熱效果達(dá)到最大;而沒有添加分散劑的納米流體卻對(duì)噴霧冷卻的傳熱效果起到了阻礙作用。這表明，以PVP為分散劑的納米流體作為噴霧冷卻的工質(zhì)時(shí)，提高傳熱效果的并不是納

7、米顆粒本身而是PVP分散劑。該結(jié)論有利于解釋現(xiàn)有文獻(xiàn)使用納米顆粒后傳熱效果相互矛盾的現(xiàn)象，為納米顆粒傳熱增強(qiáng)機(jī)理的探究提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　最后，為了研究閃蒸噴霧冷卻對(duì)電子芯片等局部高溫?zé)嵩吹睦鋮s性能，建立了模擬局部高溫?zé)嵩瓷岬拈W蒸噴霧冷卻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究被冷卻表面的散熱特性，重點(diǎn)分析表面強(qiáng)化結(jié)構(gòu)對(duì)閃蒸噴霧冷卻散熱性能的影響。在該系統(tǒng)中，用射頻電阻模擬面積為1.2cm2的高溫?zé)嵩窗l(fā)熱面，并采用光滑表面、直肋表面和方針肋表面作為發(fā)熱

8、源的熱擴(kuò)表面，并與常壓下普通噴霧冷卻的實(shí)驗(yàn)結(jié)果加以對(duì)比。研究表明:在相同條件下，閃蒸噴霧冷卻的散熱效果遠(yuǎn)大于普通噴霧冷卻;采用強(qiáng)化表面能夠提高閃蒸及普通噴霧冷卻的散熱熱流密度，但對(duì)閃蒸噴霧冷卻散熱的強(qiáng)化效果不如普通噴霧冷卻;在實(shí)驗(yàn)條件范圍內(nèi)，直肋表面對(duì)換熱的強(qiáng)化性能最好;增大噴霧流量可以降低普通噴霧冷卻和閃蒸噴霧冷卻的表面溫度，但是對(duì)普通噴霧冷卻的降溫效果更加明顯，采用直肋為熱擴(kuò)表面，流量從1.6L/h增加到3.1L/h時(shí)，普通噴霧冷卻