噴霧液膜流動理論及電子器件噴霧冷卻實(shí)驗研究.pdf

1、現(xiàn)有電子器件的熱流密度越來越高，如何對芯片級、系統(tǒng)級的電子器件進(jìn)行有效散熱成為提高電子器件可靠性的一個重要因素。作為在電子器件換熱領(lǐng)域最有希望取得突破的三項技術(shù)之一，噴霧冷卻（Spray Cooling）技術(shù)正在受到越來越多的關(guān)注。當(dāng)前的研究工作大多集中在實(shí)驗研究方面，然而由于不同研究人員實(shí)驗條件的不同使得各種研究結(jié)論有所差異甚至相互矛盾，有關(guān)噴霧冷卻的理論研究相對更加缺乏，因此針對電子器件的噴霧冷卻技術(shù)的理論和實(shí)驗研究都尚有廣闊的發(fā)展

2、空間。 基于電子器件噴霧冷卻技術(shù)的研究現(xiàn)狀和研究熱點(diǎn)，本文對噴霧在熱源表面形成的沖擊液膜流動及厚度模型、基于CHF（Critical Heat Flux，臨界熱流密度）準(zhǔn)則的傾斜噴射噴嘴軌跡、噴嘴距熱源換熱最優(yōu)時的高度、傾斜噴射實(shí)驗以及針對動態(tài)噴射的電磁驅(qū)動器件的吸合問題等方面進(jìn)行了研究： 針對圓錐形軸對稱噴霧冷卻系統(tǒng)，在對噴霧區(qū)域進(jìn)行劃分的基礎(chǔ)上，引入滑流邊界條件，在提出圓錐狀噴霧假設(shè)的基礎(chǔ)上，建立了噴霧區(qū)域霧滴密度連

3、續(xù)介質(zhì)等效模型。 基于分離變量法求解液膜流動動力學(xué)微分方程組，尋找到合理的動量方程組相容關(guān)系，應(yīng)用數(shù)學(xué)物理方法求得液膜內(nèi)速度場的分離變量級數(shù)解。在假設(shè)液膜出口頸縮截斷邊界條件的基礎(chǔ)上，通過聯(lián)立其它邊界條件，求得待定系數(shù)，同時得到了液膜流動場和液膜厚度的求解方程，實(shí)現(xiàn)了液膜邊界未知的薄膜流動問題求解。仿真結(jié)果表明：①當(dāng)噴霧速率均勻時，液膜為平膜。當(dāng)速率非均勻時，液膜可以出現(xiàn)中心凸起和中心下凹兩種情況，具體形狀與液膜表面噴霧的速率分

4、布有關(guān)；②靠近熱源表面的薄層內(nèi)的液膜流速較大，而其余大部分液膜流速較慢；使液膜減薄的方法有兩種：增加噴霧速度和降低噴霧密度；③速度滑移對液膜厚度及流場的影響很小，可以忽略。 通過分析確定了噴霧冷卻中傾斜噴射合理的研究前提：CHF準(zhǔn)則，即在保證冷卻劑利用率最高的前提下，最大噴霧沖擊區(qū)域?qū)?yīng)最大的CHF值。分析了滿足CHF準(zhǔn)則時不同錐角的圓錐形和棱錐形噴嘴分別對圓形和方形熱源傾斜噴射時噴嘴源點(diǎn)所處的軌跡曲線，以及傾斜噴射時噴霧沖擊面

5、積隨噴射傾角的變化情況。在分析方形噴嘴傾斜噴射時，將噴嘴的傾斜旋轉(zhuǎn)情況分為軸型旋轉(zhuǎn)和對角線型旋轉(zhuǎn)兩類。結(jié)果表明，就傾斜噴射噴霧覆蓋面積而言，對圓形熱源進(jìn)行噴射和/或傾斜噴射，最好選用圓錐形噴嘴；對方形熱源進(jìn)行噴射時，最好選用合適的方形噴嘴，并且當(dāng)方形噴嘴傾斜噴射時選擇軸型傾斜噴射（傾角不太大時）。 結(jié)合Visaria等人的實(shí)驗數(shù)據(jù)，在滿足CHF準(zhǔn)則的前提下，從理論上分析了圓錐形噴嘴對方形熱源傾斜噴射時噴射傾角對CHF的影響。分析

6、結(jié)果表明：噴射傾角對CHF影響不大，CHF隨噴射傾角增大而稍有增大。 購買并加工制作了實(shí)驗所需設(shè)備或器件（噴嘴、熱源、壓力泵和各種測量儀器等），搭建了實(shí)驗平臺。應(yīng)用相關(guān)理論，考慮拖曳力的影響，對所建立的實(shí)驗系統(tǒng)進(jìn)行了特性評估，包括霧滴的出口速率和直徑、霧滴在運(yùn)動過程中的速率、直徑和溫度的變化情況等，進(jìn)而對噴射到熱源表面的霧滴特性做出預(yù)測。 應(yīng)用所搭建的實(shí)驗系統(tǒng)，對所選用的三個DANFOSS噴嘴入出口壓差與泵壓的關(guān)系進(jìn)行了

7、測定，結(jié)果表明兩者基本呈線性關(guān)系；對各噴嘴的噴霧特性進(jìn)行測定，得出噴嘴總流量與泵壓的關(guān)系為：噴嘴的總流量約與噴嘴入出口兩端壓差的開平方成正比；對噴嘴的中心流量密度進(jìn)行測定，尋找到各噴嘴噴霧相對最均勻的工作壓力。 應(yīng)用不同DANFOSS噴嘴對水平熱源進(jìn)行垂直噴射，在變換噴嘴距熱源表面高度的前提下，研究最優(yōu)換熱性能出現(xiàn)在何種情況（最優(yōu)高度），得出H準(zhǔn)則：當(dāng)噴霧形成的液膜的圓形外推區(qū)域正好與熱源邊緣相切時，系統(tǒng)換熱性能達(dá)到最佳。

8、 選擇兩個噴嘴對方形熱源和圓形熱源進(jìn)行傾斜噴射實(shí)驗，結(jié)果認(rèn)為傾斜噴射的研究重點(diǎn)應(yīng)該是解決由此引起的表面溫度梯度增大問題（并且噴射傾角最好不要太大），而對系統(tǒng)換熱性能的影響是次要問題。 根據(jù)間歇噴射的概念及其研究意義，提出動態(tài)噴射的概念，確定了電磁驅(qū)動作為驅(qū)動噴嘴實(shí)現(xiàn)動態(tài)噴射的驅(qū)動方式。闡述了電磁驅(qū)動器件中吸合特性的概念、研究現(xiàn)狀及其分析方法。主要針對兩種不同結(jié)構(gòu)形式的電磁驅(qū)動器件，在磁動勢控制模型基礎(chǔ)上，分析了它們的準(zhǔn)靜態(tài)、階