噴霧冷卻中液滴撞擊固體壁面的動態(tài)特性及傳熱特性研究.pdf

1、隨著生產(chǎn)工藝、電子科學技術的進步,電子元器件的集成度不斷提高,功耗不斷增加;這使其工作時產(chǎn)生的廢熱也越來越多,所處的熱環(huán)境越來越惡劣。已有的傳統(tǒng)冷卻方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)階段電子設備的冷卻需求,噴霧冷卻作為一種新型的高效冷卻技術,以其極高的冷卻熱流密度,超強的溫度控制能力以及啟動迅速等優(yōu)點,受到了研究人員們越來越多的關注,其有望成為未來高熱流密度冷卻的主要技術。目前針對噴霧冷卻性能強化的方法很多,對熱沉表面進行強化結構加工是一種最為常見、也

2、易于應用到工程實際的方法。
　　為深入地分析了解噴霧冷卻的機理,提高其換熱性能,本文對噴霧冷卻過程中最為基本的現(xiàn)象——單液滴與固體壁面間的碰撞及熱質(zhì)傳遞過程進行了研究。通過對單液滴在不同工況下撞擊不同浸潤特性、不同結構的固體壁面動態(tài)及熱質(zhì)傳遞特性的可視化實驗研究,得到了強化單液滴撞擊固體壁面后熱質(zhì)交換的方法;由此進一步設計了凹孔強化結構表面,并對其噴霧冷卻換熱特性進行了實驗研究。本文的主要研究內(nèi)容和結論如下:
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3、對液滴撞擊親水及疏水兩種浸潤性壁面進行了可視化實驗,研究了液滴尺寸,撞擊速度及壁面浸潤性對單液滴撞擊固體壁面行為特性的影響,如:鋪展、回縮的特性、時間,鋪展因數(shù),表觀接觸角等。詳細分析了在疏水壁面上液滴的振蕩特性,并對此過程中液滴表觀接觸角的變化進行了擬合。實驗結果表明:液滴直徑對其鋪展時間、鋪展因數(shù)均有影響。壁面浸潤性對液滴撞擊的動態(tài)行為影響較大,相同撞擊條件下,液滴在親水壁面上的鋪展因數(shù)大于在疏水壁面上的鋪展因數(shù),液滴在疏水壁面上的

4、回縮速度大于親水壁面;液滴在疏水壁面上的振蕩過程表現(xiàn)為衰減振蕩過程。液滴撞擊速度越大,最大鋪展因數(shù)越大。
　?、趯σ旱巫矒舫杷诿孢M行了可視化實驗研究,分析了不同撞擊速度下液滴撞擊超疏水壁面的不同結果;總結了液滴濺射出衛(wèi)星液滴的特性與規(guī)律,以及液指回縮、聚并的行為。同時利用CLSVOF方法對液滴撞擊超疏水壁面過程進行了數(shù)值模擬研究,分析了液滴撞擊超疏水壁面過程中內(nèi)部壓力及速度分布規(guī)律與空氣卷吸現(xiàn)象。實驗結果顯示:液滴撞擊超疏水壁

5、面會發(fā)生反彈脫離現(xiàn)象,其鋪展及反彈的具體特征受撞擊速度影響較大;撞擊速度越大,液滴鋪展、回縮速度越大,最大鋪展因素越大,反彈后形變的隨機性越大;液滴高速撞擊超疏水壁面,會發(fā)生濺射現(xiàn)象,形成液指并脫離衛(wèi)星液滴。根據(jù)數(shù)值模擬結果可以發(fā)現(xiàn):CLSVOF非常適合液滴與超疏水壁面撞擊過程的數(shù)值模擬,其結果與實驗現(xiàn)象非常吻合。在撞擊超疏水壁面的整個過程中,液滴內(nèi)部速度及壓力均保持軸對稱分布特性。
　?、劾霉饪涛⒓庸さ确椒?制取了非均勻浸潤性

6、壁面。對液滴撞擊半親水半超疏水壁面、含單條超疏水線親水壁面、含十字超疏水線親水壁面和兩種不同線寬的間隔超疏水線壁面進行了可視化實驗研究。分析研究了不同撞擊速度下,液滴在不同的非均勻浸潤性壁面上特有的動態(tài)行為。實驗結果顯示:在非均勻浸潤性壁面的每一種浸潤性表面上,液滴撞擊后的動態(tài)行為均保持其單獨撞擊到這種浸潤性表面后的特性;而在交界處,液滴受兩部分浸潤性的耦合影響,其形狀為平緩的過渡連接。因此會出現(xiàn)液滴撞擊到半親水半超疏水壁面上發(fā)生翻折的

7、現(xiàn)象;在含單條或十字超疏水線的親水壁面會被超疏水線“切割”的現(xiàn)象。液滴撞擊到間隔超疏水線壁面上會出現(xiàn)破碎、殘留小液滴的現(xiàn)象;這種現(xiàn)象會產(chǎn)生較大的擾動,且穩(wěn)定時會形成較長的三相接觸線。
　?、芾肁ZO導電玻璃制取了不同的透明加熱壁面,進行了液滴撞擊加熱壁面的可視化實驗。研究了撞擊速度,壁面浸潤性,壁面過熱度對液滴撞擊加熱壁面后的動態(tài)及傳熱特性的影響,以及間隔超疏水線壁面等對液滴與壁面間熱質(zhì)傳遞的影響;根據(jù)分析結果提出了使用凹孔結構

8、表面強化單液滴與壁面間的熱質(zhì)傳遞,并同時進行了液滴撞擊凹孔結構加熱表面的可視化實驗。通過上述實驗及分析發(fā)現(xiàn):隨著壁面親水性的增強,液滴與壁面間的傳熱性能增強;在三相接觸線附近,換熱性能較好;液滴撞擊到凹孔結構表面會產(chǎn)生二次鋪展現(xiàn)象,這種現(xiàn)象及在凹孔結構表面上較大的液固接觸面積、三相接觸線長度和凹孔角區(qū)的強化傳熱效應,均能增強液滴與凹孔結構表面間熱質(zhì)的傳遞性能。
　?、菰O計制造了凹孔結構熱沉表面,并分別以水和液氨為工質(zhì),對單相強制對

9、流和相變換熱階段凹孔表面對噴霧冷卻性能的影響進行了實驗研究。分析了單相強制對流階段凹孔表面以及工質(zhì)流量對噴霧冷卻熱流密度、換熱系數(shù)和表面溫度分布的影響,以及凹孔表面對換熱機制轉(zhuǎn)變的影響。對不同尺寸結構的凹孔表面進行了氨噴霧冷卻實驗,研究了在相變換熱階段,凹孔表面的具體結構對噴霧冷卻性能的影響。實驗結果表明:在相變換熱階段,凹孔表面對噴霧換熱性能有明顯的增強作用,且強化程度主要受表面Bo數(shù)的影響,Bo數(shù)越小,凹孔表面的強化換熱作用越大。在