閃蒸及噴霧液滴特性對(duì)噴霧冷卻強(qiáng)化換熱的影響.pdf

1、隨著超級(jí)計(jì)算機(jī)、航天電子設(shè)備、激光技術(shù)等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，電子器件的發(fā)熱功率日益增長(zhǎng)。由于電子器件對(duì)工作溫度非常敏感，電子器件熱控系統(tǒng)對(duì)散熱密度、溫控精度、可靠性等指標(biāo)的要求越來(lái)越高。噴霧冷卻由于散熱功率大、冷卻效率高、綜合性能好等優(yōu)點(diǎn)，正逐漸取代傳統(tǒng)散熱方式，成為解決高發(fā)熱電子器件散熱問(wèn)題的主要手段之一。為了進(jìn)一步分析噴霧冷卻的傳熱機(jī)理、增強(qiáng)噴霧冷卻的換熱性能、解決噴霧冷卻在實(shí)際應(yīng)用中的關(guān)鍵問(wèn)題，本文重點(diǎn)研究了噴霧液滴特性（包括液滴閃蒸

2、特性、壓電霧化特性和液滴撞擊特性）對(duì)噴霧冷卻強(qiáng)化換熱的影響。
　　首先，針對(duì)航天熱控的真空環(huán)境，本文建立了真空閃蒸條件下的噴霧冷卻傳熱模型，研究了閃蒸對(duì)噴霧液滴特性和噴霧冷卻換熱特性的影響，得出了各種參數(shù)對(duì)噴霧冷卻換熱機(jī)制的影響機(jī)理和內(nèi)在規(guī)律。模型中液滴閃蒸模型采用基于擴(kuò)散控制蒸發(fā)方程的熱導(dǎo)率修正模型，液膜閃蒸模型采用基于膜滲透理論的瞬態(tài)傳質(zhì)模型，經(jīng)驗(yàn)證，該模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。研究結(jié)果表明：噴霧初始溫度、噴霧流量、噴霧高度和噴

3、霧張角都是影響閃蒸噴霧冷卻換熱特性的重要參數(shù)；閃蒸對(duì)噴霧冷卻換熱的強(qiáng)化效果顯著；與普通噴霧冷卻相比，閃蒸噴霧冷卻具有更高的工質(zhì)潛熱利用率，能夠在小流量下，達(dá)到更好的散熱效果；液滴撞擊壁面換熱和液膜閃蒸換熱是閃蒸噴霧冷卻中的主要換熱機(jī)制；噴霧液滴閃蒸可以顯著降低液滴溫度，從而增強(qiáng)噴霧冷卻液膜流動(dòng)換熱和液滴撞擊壁面換熱，最終增強(qiáng)噴霧冷卻整體換熱性能。該研究為閃蒸噴霧冷卻的工程應(yīng)用和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。
　　研究表明，噴霧流量和噴霧

4、特性對(duì)噴霧冷卻換熱性能具有很大影響。然而，目前普遍使用的壓力旋流噴嘴存在噴霧特性難以控制、噴霧流量大、霧化不均勻、需要壓力泵等缺點(diǎn)。為了改進(jìn)噴嘴在小流量時(shí)的霧化特性，本文研制了適用于噴霧冷卻系統(tǒng)的壓電霧化噴嘴，建立了壓電霧化噴霧冷卻傳熱特性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并對(duì)壓電霧化噴嘴的噴霧特性及壓電霧化噴霧冷卻的傳熱特性進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。研究發(fā)現(xiàn):壓電霧化噴嘴在小流量下具有噴霧參數(shù)可控、不需要壓力泵、自身功耗低、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)；與壓力旋流噴嘴相比，壓

5、電霧化噴嘴具有更好的霧化性能，即噴霧分布更加均勻、不存在中間空心區(qū)。壓電霧化噴嘴的這種噴霧特性使得壓電霧化噴霧冷卻的壁面溫度分布更加均勻，同時(shí)可以利用更少的流量實(shí)現(xiàn)更高的換熱密度;隨著噴嘴孔徑的增大，噴霧流量增大，壓電霧化噴霧冷卻的換熱密度也隨之增大，但是噴霧冷卻效率卻隨之降低。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文得出了壓電霧化噴霧冷卻換熱密度和噴霧冷卻效率隨噴霧流量變化的關(guān)聯(lián)式，對(duì)壓電霧化噴霧冷卻的工程應(yīng)用和系統(tǒng)優(yōu)化具有重要的參考價(jià)值。
　　由于

6、液滴撞擊壁面對(duì)噴霧冷卻換熱特性影響很大，為了深入研究噴霧冷卻換熱機(jī)制的細(xì)節(jié)，并進(jìn)一步提高噴霧冷卻換熱特性，本文提出了采用高醇類表面活性劑來(lái)提高液滴撞擊壁面的動(dòng)態(tài)萊氏溫度的方法，并利用高速攝影技術(shù)對(duì)液滴撞擊高溫壁面的動(dòng)態(tài)萊氏溫度和鋪展特性進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明:表面活性劑對(duì)液滴撞擊高溫壁面的動(dòng)態(tài)萊氏溫度和鋪展特性影響很大，正辛醇和異辛醇表面活性劑均能顯著提高動(dòng)態(tài)萊氏溫度，最高能夠提升65℃;動(dòng)態(tài)萊氏溫度隨表面活性劑濃度和液滴撞擊動(dòng)能的增

7、大而升高，最大鋪展因子隨表面活性劑濃度和液滴撞擊動(dòng)能的增大而增大。根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，本文基于氣泡破裂和氣泡聚合機(jī)理，對(duì)動(dòng)態(tài)萊氏溫度的提升機(jī)理給出了相應(yīng)的解釋。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果和機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，為了理解高醇類表面活性劑對(duì)動(dòng)態(tài)萊氏效應(yīng)的影響機(jī)理，本文采用韋伯?dāng)?shù)和奧內(nèi)，佐格數(shù)作為準(zhǔn)則數(shù)，總結(jié)了動(dòng)態(tài)萊氏溫度和最大鋪展因子的關(guān)聯(lián)式。
　　最后，在充分理解噴霧冷卻換熱機(jī)理和影響因素的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步發(fā)揮噴霧冷卻技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，本文提出了基于噴霧冷卻

8、技術(shù)的超算中心高能效熱控系統(tǒng)，并且評(píng)估了該系統(tǒng)的冷卻性能、節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益。本文新型冷卻系統(tǒng)把即插式噴霧冷卻系統(tǒng)和廢熱驅(qū)動(dòng)式吸收式制冷系統(tǒng)相結(jié)合，其中，噴霧冷卻系統(tǒng)用于運(yùn)算機(jī)柜的冷卻，降低冷卻系統(tǒng)的功耗;吸收式制冷系統(tǒng)不僅能夠回收利用噴霧冷卻系統(tǒng)的廢熱，而且能夠降低空調(diào)系統(tǒng)的熱負(fù)荷。通過(guò)與曙光5000A超級(jí)計(jì)算機(jī)原始冷卻系統(tǒng)相比較，本文研究發(fā)現(xiàn):新型冷卻系統(tǒng)的節(jié)能效果顯著，工質(zhì)入口溫度對(duì)系統(tǒng)性能影響很大;在最佳運(yùn)行工況時(shí)，該系統(tǒng)制冷能