振蕩熱管傳熱機理及傳熱性能的研究.pdf

1、電子器件日益嚴峻的散熱問題促使振蕩熱管這種新型高效的傳熱元件倍受矚目。與普通熱管不同，振蕩熱管不是單純的相變傳熱，而是集顯熱傳熱、相變傳熱、膨脹功于一體，涉及多物理學科的復雜汽液兩相流系統(tǒng)，到目前人們還不能清楚地解釋其機理。 本論文研究的主題是“振蕩熱管的傳熱機理及傳熱能性”，旨在探求影響因素與振蕩熱管傳熱性能間的關(guān)系，傳熱性能的定性定量評價方法，以及振蕩熱管內(nèi)部振蕩流、傳熱及傳質(zhì)間內(nèi)在的關(guān)系。本文提出了將試驗設計和統(tǒng)計分析技術(shù)

2、應用于傳熱性能的多因素分析；完善了毛細尺度下穩(wěn)態(tài)液膜蒸發(fā)傳熱傳質(zhì)特性；建立了詳細的振蕩熱管系統(tǒng)質(zhì)量、能量和動量守恒控制方程，首次對振蕩熱管的傳熱機理作了初步完善的解釋；首次推導出振蕩熱管當量導熱系數(shù)的定性表達式，并提出了利用求解“導熱反問題”的方法定量研究其當量導熱系數(shù)。 本文的具體研究工作包括如下幾個方面： (1) 振蕩熱管傳熱性能的多因素分析研究是以銅－水閉合回路振蕩熱管為對象，研究充液率、傾斜角度、加熱水流量與傳熱

3、功率間的關(guān)系。首先采用中心復合試驗設計合理地安排傳熱性能試驗；然后采用統(tǒng)計技術(shù)處理試驗數(shù)據(jù)，其中包括：假定傳熱功率與影響因素之間滿足二階多項式非線性關(guān)系；采用最小二乘法估計二階模型的系數(shù)，并驗證二階模型的合理性；采用方差分析研究各因素及其交互作用影響的顯著性程度；對回歸模型求極值，得出最佳傳熱性能條件下因素的最優(yōu)組合。結(jié)果顯示：得出的二階多項式非線性模型較好地反映了三個影響因素與傳熱功率間的關(guān)系；在三個研究因素中，傾斜角度的影響最為顯著

4、，其次是加熱水流量和充液率，但他們間的交互影響不顯著。 (2) 振蕩熱管基礎(chǔ)理論研究是分別對其內(nèi)部的液膜行為、液塞行為和汽泡行為進行分析，研究毛細管內(nèi)液膜的穩(wěn)定性、輪廓和傳熱傳質(zhì)特性，液塞受力和汽泡作功等物理現(xiàn)象。重點研究了毛細管內(nèi)液膜穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)特性：在Nusselt膜理論假定的基礎(chǔ)上，結(jié)合毛細管內(nèi)液膜的特點，考慮液膜附加壓力、界面熱阻、液膜過熱度，分別對液膜的平衡區(qū)、過渡區(qū)和宏觀區(qū)建立了穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)模型相應的控制方程。以石英玻璃毛細

5、管內(nèi)水液膜蒸發(fā)為例，采用Runge-Kutta方法進行數(shù)值計算，結(jié)果顯示：熱質(zhì)傳遞發(fā)生在過渡區(qū)和宏觀區(qū)，在過渡區(qū)與宏觀區(qū)的分界線附近具有很高的傳熱系數(shù)；與宏觀區(qū)相比，過渡液膜區(qū)域長度很小，為微米級，但對整個液膜傳熱傳質(zhì)有相當?shù)挠绊?；脫附壓力與毛細作用分別在過渡區(qū)和宏觀區(qū)的附加壓力中占主導地位。 (3) 對振蕩熱管傳熱機理進行了研究。在上述液膜、液塞和汽泡行為分析的基礎(chǔ)上，對振蕩熱管系統(tǒng)進行合理的簡化和假設；然后采用質(zhì)量、能量和動

6、量守恒控制方程對由汽泡、液膜和液塞組成的離散系統(tǒng)進行建模；最后采用顯式有限差分法對建立的物理方程進行數(shù)值求解。以n型單液塞振蕩熱管為例進行計算分析，結(jié)果顯示：液塞在毛細管路內(nèi)的運動既有宏觀振蕩又有局部振蕩，振蕩的幅度和頻率在增大和減小中交替變化，沒有固定的周期；液塞兩側(cè)汽泡間的壓差是其振蕩的主要驅(qū)動力，當振蕩熱管非水平工作時，需考慮重力的影響，與其它力相比，毛細阻力對液塞振蕩的影響可以忽略；加熱段刷新液膜短時間內(nèi)的蒸干是誘發(fā)新一輪振蕩以

7、及強化傳熱的源動力；潛熱、顯熱和膨脹功對于汽泡溫度的變化均有較大的影響。 (4) 對振蕩熱管當量導熱系數(shù)進行了研究。把振蕩熱管簡化為由管殼、液膜和振蕩流組成的復合材料。徑向?qū)嵯禂?shù)由管殼材料和液膜共同決定，軸向?qū)嵯禂?shù)主要由振蕩液塞決定。根據(jù)振蕩液塞運動和傳熱特性對其進行合理的假設，從理論上推導出振蕩液塞當量導熱系數(shù)的定性表達式 ，該系數(shù)與液塞的振蕩頻率和振蕩幅度成正比。引入求解“導熱反問題”的方法定量測試當量導熱系數(shù)：利用紅外