泡沫材料強(qiáng)化傳熱及流動性能研究.pdf

1、隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，一個微型芯片上出現(xiàn)幾百萬個安裝零件已經(jīng)很常見，據(jù)國際半導(dǎo)體技術(shù)路線報道，芯片熱通量已從2007年的330W·cm-2上升到2011年的520W·cm-2，尋找合適的電子散熱技術(shù)和材料成為當(dāng)下越來越關(guān)心的問題。近年來，為了提高傳熱器效率，節(jié)約原材料和減少能源消耗，各種強(qiáng)化傳熱技術(shù)在各領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。在此背景下，多孔金屬泡沫成為最有希望替換傳統(tǒng)換熱器的一種新型材料，由于其特殊復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使得金屬泡沫換熱器可以

2、在改善裝置傳熱效率的同時允許設(shè)備體積減小。目前因?yàn)榕菽牧蟽?nèi)部的輸運(yùn)和傳熱特性的表征和量化方程尚不完善，使其換熱器設(shè)計方面的應(yīng)用受到了限制。
　　本文針對多孔泡沫材料用于緊湊型散熱器之需而展開研究。首先以實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法研究了矩形管內(nèi)置入金屬泡沫后的流動性能和強(qiáng)化傳熱性能，與普通平直翅片散熱器進(jìn)行了對比，并得到了泡沫材料的對流換熱準(zhǔn)則方程。在此基礎(chǔ)上，考慮實(shí)際泡沫材料的非均質(zhì)特征，建立了孔隙尺寸隨機(jī)分布的泡沫模型，研究了孔隙均勻

3、度對流動和強(qiáng)化傳熱性能的影響。接著，針對泡沫內(nèi)流動阻力大的特點(diǎn)，提出了在泡沫材料上開槽的“二次強(qiáng)化傳熱”方案，分析了開槽泡沫內(nèi)的流動阻力和傳熱性能。最后，運(yùn)用場協(xié)同理論，討論了多孔泡沫內(nèi)部強(qiáng)化傳熱的物理機(jī)制。本文的主要研究成果和結(jié)論是：
　　泡沫材料的強(qiáng)化傳熱效果優(yōu)于普通平直翅片。在實(shí)驗(yàn)流速范圍內(nèi)，當(dāng)流速小于3m·s-1時，泡沫材料的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可達(dá)普通翅片的3倍。但泡沫材料的流動阻力明顯大于普通平直翅片。通過計算得到了泡沫材料的

4、滲透率、慣性系數(shù)和摩擦因子；采用孔隙均勻度來描述非均質(zhì)泡沫的孔隙分布隨機(jī)性，研究非均質(zhì)泡沫流動阻力和強(qiáng)化傳熱的性能，發(fā)現(xiàn)：孔隙均勻度越大，流動阻力越小，換熱強(qiáng)化效果越好；對泡沫材料進(jìn)行“二次強(qiáng)化傳熱”的開槽措施，可以有效降低壓力梯度29%以上。在較低流速下，開槽泡沫的傳熱性能強(qiáng)化不明顯甚至有所削弱，但流速較高時，開槽泡沫的傳熱性能優(yōu)于不開槽泡沫，同時可獲得較小的流動阻力，節(jié)省了泵功。用PEC綜合評價指標(biāo)進(jìn)行分析，說明開槽有利于泡沫材料綜