蒸汽腔平板熱管內(nèi)氣液相變傳熱特性的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、平板熱管是解決受限空間內(nèi)高熱流密度散熱的一種新型高效熱輸運(yùn)器件，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、性能好、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在空間熱控系統(tǒng)、微電子元器件散熱等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。蒸汽腔平板熱管蒸發(fā)面到冷凝面的距離一般只有幾毫米，在如此狹小的腔體空間內(nèi)蒸發(fā)/沸騰與凝結(jié)同時(shí)發(fā)生并相互影響，使得蒸汽腔內(nèi)產(chǎn)生復(fù)雜的氣液兩相流動(dòng)與相變傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象。因此，開展蒸汽腔平板熱管內(nèi)氣液相變傳熱的研究，不僅具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值，而對于探索類受限微小空間內(nèi)氣液兩相

2、流動(dòng)與蒸發(fā)凝結(jié)相變傳熱傳質(zhì)機(jī)理具有重要的科學(xué)意義。
　　目前，蒸汽腔平板熱管內(nèi)復(fù)雜的氣液相變傳熱機(jī)理尚未得到充分揭示，特別是在蒸汽腔內(nèi)部復(fù)雜氣液兩相流體動(dòng)力行為與相變傳熱之間的內(nèi)在聯(lián)系尚不明確;并且，微小受限空間內(nèi)蒸發(fā)/沸騰與凝結(jié)之間的耦合效應(yīng)對蒸汽腔傳熱的影響機(jī)理也較為匱乏。為此，本文設(shè)計(jì)搭建了一套蒸汽腔平板熱管氣液兩相工質(zhì)流動(dòng)與傳熱性能測試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開展蒸汽腔內(nèi)氣液兩相流動(dòng)的可視化與傳熱性能實(shí)驗(yàn)研究，觀測蒸汽腔的氣液兩相流型與

3、運(yùn)行特征，并在此基礎(chǔ)上對蒸汽腔傳熱性能影響因素及強(qiáng)化機(jī)理進(jìn)行分析，旨在揭示微小受限空間內(nèi)復(fù)雜氣液兩相流體動(dòng)力行為與相變傳熱機(jī)理。概括起來，本論文的主要研究內(nèi)容及研究結(jié)論如下:
　　(1)開展了蒸汽腔平板熱管氣液相變傳熱的可視化實(shí)驗(yàn)研究，觀測了蒸汽腔中氣液兩相運(yùn)行狀態(tài)及主要流型，監(jiān)測了壁面溫度變化，并建立了工質(zhì)運(yùn)行狀態(tài)與壁溫變化間的內(nèi)在聯(lián)系。研究結(jié)果表明:隨熱負(fù)荷增加，蒸汽腔準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模式依序呈現(xiàn)“持續(xù)大幅脈動(dòng)運(yùn)行模式”、“大幅脈動(dòng)

4、與短暫小幅脈動(dòng)交替運(yùn)行模式”、“小幅脈動(dòng)與短暫大幅脈動(dòng)交替運(yùn)行模式”和“持續(xù)小幅脈動(dòng)運(yùn)行模式”;不同運(yùn)行模式下，蒸汽腔壁溫變化各具特點(diǎn)，可以成為判斷蒸汽腔內(nèi)工質(zhì)運(yùn)行狀態(tài)的重要判據(jù);蒸汽腔平板熱管運(yùn)行時(shí)腔體內(nèi)存在著多種流體動(dòng)力行為特征，如氣泡的產(chǎn)生、長大、運(yùn)動(dòng)、聚并、破裂、凝結(jié)以及液體的波動(dòng)等，它們對蒸汽腔的穩(wěn)定運(yùn)行與高效傳熱有重要影響。
　　(2)開展了蒸汽腔平板熱管的傳熱性能實(shí)驗(yàn)研究，分析了蒸汽腔傳熱性能的各種影響因素，建立了氣

5、液兩相流體動(dòng)力行為與傳熱性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。研究結(jié)果表明:隨著熱負(fù)荷的增大，蒸汽腔熱阻呈整體下降趨勢。存在一個(gè)最佳的充液率(≈49％)使得蒸汽腔熱阻表現(xiàn)最小，此時(shí)蒸發(fā)/沸騰與凝結(jié)換熱之間的相互影響程度達(dá)到了一個(gè)最佳水平，使得蒸汽腔表現(xiàn)出了最佳的傳熱性能;遠(yuǎn)離此充液率時(shí)，蒸汽腔的傳熱能力會(huì)受到一定的限制。并結(jié)合氣液兩相流體動(dòng)力行為圖像對蒸發(fā)/沸騰與凝結(jié)之間的相互影響作用機(jī)理進(jìn)行了分析:充液率較低時(shí)，氣泡或沸騰液很少能與冷凝面接觸，蒸發(fā)/沸

6、騰與凝結(jié)之間的相互影響程度較弱;充液率較高時(shí)，氣泡脫離頻率的降低、冷凝面部分區(qū)域被液面覆蓋以及液柱等現(xiàn)象使得蒸汽腔內(nèi)蒸發(fā)/沸騰和凝結(jié)換熱強(qiáng)度均受到了一定程度的抑制;而當(dāng)充液率處在一個(gè)中間水平范圍時(shí)，液位高度以及液面到冷凝面的距離均比較適中，蒸發(fā)/沸騰換熱與凝結(jié)換熱之間相互促進(jìn)。隨著受限空間高度從20mm逐漸降低到5mm，蒸汽腔的傳熱性能越來越好。
　　(3)開展了蒸汽腔平板熱管內(nèi)蒸發(fā)/沸騰與凝結(jié)耦合傳熱實(shí)驗(yàn)，測試了不同充液率下的沸

7、騰與凝結(jié)換熱系數(shù)。研究結(jié)果表明:分別存在一個(gè)最佳的充液率使得蒸汽腔內(nèi)沸騰或凝結(jié)換熱系數(shù)達(dá)到最大值，沸騰和凝結(jié)換熱系數(shù)達(dá)到最大值對應(yīng)的充液率分別為33％和52％。在此充液率下，液位高度以及液面與冷凝面之間的空間大小適中，蒸發(fā)/沸騰與凝結(jié)之間具有較好的耦合傳熱關(guān)系，可最大程度地促進(jìn)沸騰換熱或凝結(jié)換熱。
　　(4)開展了內(nèi)置絲網(wǎng)吸液芯對蒸汽腔平板熱管傳熱性能的影響實(shí)驗(yàn)，對比了不同吸液芯結(jié)構(gòu)或布置形式對蒸汽腔傳熱性能的影響，并觀測了不同吸

8、液芯結(jié)構(gòu)或布置形式下蒸汽腔內(nèi)的氣液兩相換熱特征。研究結(jié)果表明:絲網(wǎng)吸液芯有助于增加蒸發(fā)壁面上的汽化核心，且氣泡多在吸液芯與蒸發(fā)面接觸區(qū)域的邊角地帶產(chǎn)生;內(nèi)置陣列式吸液芯的蒸汽腔比十字形吸液芯蒸汽腔表現(xiàn)出了更好的傳熱性能;對于相變空間內(nèi)充滿卷式吸液芯的蒸汽腔，在實(shí)驗(yàn)的充液率范圍內(nèi)(20％-70％)，順重力條件下均能正常工作，使其表現(xiàn)出最小傳熱熱阻的充液率為50％;加入絲網(wǎng)吸液芯后蒸汽腔內(nèi)的氣液兩相工質(zhì)運(yùn)行狀態(tài)相比無吸液芯時(shí)更加穩(wěn)定，在相同

9、熱負(fù)荷下的沸騰過程沒有表現(xiàn)出無吸液芯時(shí)存在的間歇性特點(diǎn)。
　　(5)開展了反重力條件下蒸汽腔平板熱管傳熱性能實(shí)驗(yàn)研究，分析了充液率、空間高度等對傳熱性能的影響規(guī)律，探索了蒸發(fā)面結(jié)構(gòu)和吸液芯布置對氣液工質(zhì)循環(huán)的改善作用。研究結(jié)果表明:充滿卷式吸液芯的蒸汽腔在反重力條件下的熱阻隨充液率的增加呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，熱阻達(dá)到最小值對應(yīng)的充液率為60％;隨著受限空間高度的降低，蒸汽腔傳熱性能逐漸優(yōu)化;采用分形槽道蒸發(fā)面結(jié)構(gòu)和絲網(wǎng)組合式吸