噴霧冷卻無沸騰區(qū)換熱特性研究.pdf

1、未來電子設(shè)備體積小、集成度高和功率密度高的發(fā)展趨勢(shì)已使散熱問題成為影響其發(fā)展的重要瓶頸。作為先進(jìn)散熱技術(shù)之一的噴霧冷卻有著散熱功率高、冷卻均勻、無沸騰滯后效應(yīng)、介質(zhì)需求量小等特點(diǎn)，備受研究者關(guān)注。然而現(xiàn)有的研究，因?qū)嶒?yàn)條件的差異所得結(jié)論亦有所不同。對(duì)噴霧冷卻的認(rèn)識(shí)相對(duì)缺乏，且關(guān)注熱點(diǎn)主要集中沸騰區(qū)，無沸騰區(qū)換熱很少涉及。
　　 鑒于此，本文重點(diǎn)對(duì)噴霧冷卻中無沸騰區(qū)的換熱特性進(jìn)行理論以及實(shí)驗(yàn)研究。以水為冷卻介質(zhì)，采用半實(shí)心旋流式機(jī)

2、械霧化噴嘴、實(shí)心機(jī)械霧化的噴嘴，對(duì)影響無沸騰換熱特性的因素、強(qiáng)化換熱方法等進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。
　　 實(shí)驗(yàn)方面主要研究工作：
　　 1、噴嘴霧化特性：運(yùn)用相位多普勒粒子分析儀(PDPA)對(duì)實(shí)心、半實(shí)心噴嘴霧化特性進(jìn)行測(cè)試分析。結(jié)果表明：液滴徑向、軸向速度、粒徑分布不均勻，半實(shí)心噴嘴非均勻性更為明顯；半實(shí)心噴嘴霧化中心區(qū)有一旋流導(dǎo)致的回流區(qū)，對(duì)應(yīng)于換熱面有一明顯的滯止區(qū)?；亓鲄^(qū)內(nèi)液滴顆粒數(shù)密度小，速度、粒徑均較邊界處小。

3、
　　 2、研究噴嘴霧化特性、壁面粗糙度對(duì)換熱特性的影響。結(jié)果表明，液滴速度、粒徑、數(shù)量通量、介質(zhì)質(zhì)量通量共同影響著無沸騰區(qū)換熱。結(jié)合理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究發(fā)現(xiàn)：1)液滴速度、數(shù)量通量對(duì)換熱有著積極的影響，因其增加會(huì)增加液膜擾動(dòng)和運(yùn)動(dòng)速度；2)壁面溫度對(duì)換熱特性有著積極的影響，壁面溫度越高液膜蒸發(fā)越快，換熱增強(qiáng)；3)由于滯止區(qū)的存在，壁面溫度分布不均勻，在平均溫度為90℃時(shí)，局部區(qū)出現(xiàn)沸騰；4)粗糙度越大，換熱性能越強(qiáng)。此外，

4、本文對(duì)霧化特性(液滴粒徑、速度、質(zhì)量通量)影響進(jìn)行了較為系統(tǒng)的分析，提出質(zhì)量通量為決定無沸騰區(qū)換熱特性的最主要因素。
　　 3、系統(tǒng)地研究了傾斜噴射時(shí)，噴嘴傾斜角度、噴射高度對(duì)噴霧換熱特性的影響。通過對(duì)半實(shí)心旋流式機(jī)械霧化噴嘴傾斜噴射散熱特性的研究，發(fā)現(xiàn)：1)當(dāng)傾斜噴射底面橢圓長軸與換熱面相切時(shí)換熱性能最佳，此時(shí)的噴嘴高度為最佳噴射高度；其次為底面長軸與換熱面內(nèi)接和外接。2)傾斜角度在0-49°范圍內(nèi)變化時(shí)，傾斜角度越大對(duì)滯止區(qū)

5、沖刷作用越強(qiáng)，換熱增加。結(jié)合不同高度噴嘴霧化特性，對(duì)上述結(jié)論進(jìn)行理論分析，給出傾斜噴射的角度限制條件和最佳高度計(jì)算關(guān)系式。
　　 4、對(duì)刻有微槽道冷卻面的換熱特性進(jìn)行了系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)分析。采用實(shí)心機(jī)械霧化噴嘴，質(zhì)量通量為44-53Kg/m2s時(shí)，研究結(jié)果表明刻有微槽道結(jié)構(gòu)的散熱面可明顯增強(qiáng)換熱性能。對(duì)于槽道高度較小(0.1mm)的工況，面積增加比例超過了熱流增加比例。槽道高度較大時(shí)(0.2mm、0.4mm)，熱流增加比例遠(yuǎn)小于

6、面積增加比例。結(jié)合噴嘴霧化特性和理論分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)槽道高度較小時(shí)，其不僅增加了換熱面積，更有利于液膜的擴(kuò)散，減小液膜厚度，換熱系數(shù)增加；本文的實(shí)驗(yàn)工況下，高度為0.2mm微結(jié)構(gòu)槽道換熱最佳，其次為0.1mm和0.4mm微槽。
　　 5、研究了噴霧冷卻中無沸騰區(qū)換熱關(guān)系式。對(duì)本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行無量綱化處理，發(fā)現(xiàn)影響無沸騰區(qū)換熱的主要因素為包括反映質(zhì)量通量的Re數(shù)，表征粒徑、液滴速度綜合效應(yīng)的Weber數(shù)及本文提出的與壁面溫度相關(guān)的無量

7、綱溫度ξ。對(duì)實(shí)心噴嘴高流量(240＜Re＜527)、半實(shí)心噴嘴小流量(116.2＜Re＜289.2)，給出了無量綱關(guān)系式。與文獻(xiàn)中已有的關(guān)系式比較，發(fā)現(xiàn)本文經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式能更好反映無沸騰區(qū)換熱的實(shí)際狀況，誤差更小，運(yùn)用范圍更廣。
　　 理論研究方面：
　　 重點(diǎn)考察了沸騰區(qū)中“二次成核”對(duì)換熱特性的影響?；趪婌F冷卻換熱原理和氣泡-液滴動(dòng)力學(xué)基本知識(shí)，對(duì)有氣泡產(chǎn)生的換熱表面進(jìn)行數(shù)值研究，研究成核范圍系數(shù)β和成核系數(shù)ψ變化對(duì)換