噴霧冷卻傳熱特性、傳熱強(qiáng)化及溫度不均勻性研究.pdf

1、電子器件小型化、微型化和集成化技術(shù)發(fā)展迅速，功率密度也越來越高，其散熱問題已成為制約高功率電子器件發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵瓶頸問題。噴霧冷卻是一種高熱流密度散熱方式，由于具有散熱能力強(qiáng)、工質(zhì)需求量小等優(yōu)點(diǎn)，在電子器件散熱方面具有廣闊的應(yīng)用前景。本文的工作重點(diǎn)在于研究噴霧冷卻的傳熱特性，分析了噴霧冷卻加熱面溫度不均勻性的影響因素和形成機(jī)理，探索了強(qiáng)化表面和添加劑對(duì)噴霧冷卻換熱的影響。
　　 首先，利用實(shí)驗(yàn)方法研究了噴霧冷卻的傳熱特性和各主要

2、因素對(duì)傳熱特性的影響，并得出了單相區(qū)和兩相區(qū)換熱的無量綱關(guān)聯(lián)式。研究結(jié)果表明：噴霧高度、噴霧流量主要通過改變噴霧特性參數(shù)來影響換熱，其對(duì)單相區(qū)換熱影響最大；系統(tǒng)壓力通過改變噴霧工質(zhì)的飽和溫度來影響發(fā)熱表面的過熱度，系統(tǒng)壓力越低，噴霧冷卻越提前進(jìn)入兩相區(qū)，發(fā)熱面過熱度越高，換熱也越強(qiáng)；而入口溫度對(duì)噴霧冷卻單相區(qū)換熱影響相對(duì)較小。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，得出了噴霧冷卻在單相區(qū)和兩相區(qū)換熱的無量綱關(guān)聯(lián)式：單相區(qū)噴霧冷卻換熱無量綱關(guān)聯(lián)式主要與液滴

3、的韋伯?dāng)?shù)、雷諾數(shù)、普朗特?cái)?shù)和代表液膜蒸發(fā)速率的無量綱溫度有關(guān)；兩相區(qū)噴霧冷卻換熱的無量綱關(guān)聯(lián)式主要與噴霧液滴的韋伯?dāng)?shù)、雷諾數(shù)、普朗特?cái)?shù)和雅克伯?dāng)?shù)有關(guān)，所得關(guān)聯(lián)式和本文及國內(nèi)外文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，其誤差在8％以內(nèi)，高于現(xiàn)有的其他關(guān)聯(lián)式。
　　 在對(duì)原噴霧冷卻理論模型修正的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)驗(yàn)方法研究了不同噴霧高度、噴霧流量、熱流密度、噴嘴、系統(tǒng)壓力以及重力條件下的表面溫度不均勻性。研究結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果吻合較好，其誤差小于1

4、0％；噴霧高度、噴霧流量和噴嘴類型通過改變噴霧特性參數(shù)來影響噴霧冷卻換熱，并進(jìn)而對(duì)表面溫度不均勻性產(chǎn)生重要影響；表面溫度不均勻性隨著熱流密度的增大而增大，當(dāng)噴霧冷卻工作在兩相區(qū)時(shí)，這種增長的趨勢會(huì)得到減緩；低系統(tǒng)壓力時(shí)的表面溫度不均勻性低于常壓下的表面溫度不均勻性；在單相區(qū)，微重力條件下和常重力條件下噴霧冷卻的表面溫度不均勻性相差很?。辉趦上鄥^(qū)，這種表面溫度不均勻性差別增大，微重力條件下噴霧冷卻的溫度不均勻性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常重力條件下的噴霧冷

5、卻。
　　 本文還通過對(duì)不同噴霧液滴速度分布不均勻性、SMD分布不均勻性、液滴數(shù)分布不均勻性及不同加熱功率下的液膜厚度、液膜速度和表面溫度分布進(jìn)行仿真分析，探討了噴霧冷卻表面溫度不均勻性的形成機(jī)理，并得到了影響表面溫度不均勻性的關(guān)聯(lián)式。液膜厚度、速度及表面溫度分布隨噴霧液滴速度分布不均勻性、SMD分布不均勻性、液滴數(shù)分布不均勻性的改變而發(fā)生變化；隨著三個(gè)噴霧特性參數(shù)不均勻性的減小，加熱面上液膜厚度分布趨向均勻，液膜速度增大，表面

6、溫度不均勻性減??；加熱面上溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在加熱面中心，最低點(diǎn)出現(xiàn)在液膜覆蓋區(qū)和無液膜區(qū)的分界處；液滴數(shù)分布不均勻性的變化對(duì)表面溫度不均勻性的影響最大，其次是液滴速度分布不均勻性，液滴SMD分布不均勻性對(duì)表面溫度不均勻性的影響最小；表面溫度不均勻性主要是由于噴霧特性參數(shù)的不均勻性和加熱面上的液膜分布不均造成的；最后通過對(duì)這些影響因素的分析，得到了反映單相區(qū)和兩相區(qū)表面溫度不均勻性的關(guān)聯(lián)式，其誤差在20％以內(nèi)。
　　 最后，通過實(shí)驗(yàn)

7、方法探索了直肋結(jié)構(gòu)強(qiáng)化表面和不同添加劑對(duì)噴霧冷卻的換熱的影響，并提出了采用高醇類表面活性劑強(qiáng)化噴霧冷卻傳熱特性的方法。研究結(jié)果表明：直肋結(jié)構(gòu)強(qiáng)化表面能增大有效傳熱面積，進(jìn)而增強(qiáng)噴霧冷卻的換熱能力，但對(duì)換熱能力增強(qiáng)較小，僅為12％；鹽類添加劑（NaCl和Na2SO4）、高醇類添加劑（1-Octanol和2EH）均能對(duì)噴霧冷卻的換熱起到增強(qiáng)的作用，但是這種增強(qiáng)作用并非隨溶液中添加劑的含量的增大而單調(diào)增大的，當(dāng)添加劑含量增大到一定程度后，其噴