真空閃蒸噴霧冷卻傳熱特性研究.pdf

1、隨著航天技術(shù)的發(fā)展，航天設(shè)備的發(fā)熱功率日益增長，在高速航天器再入過程中存在著高熱流密度的氣動(dòng)熱防護(hù)問題。因此，如何在航天器在軌及再入條件下，實(shí)現(xiàn)高熱流密度散熱以保證航天器安全穩(wěn)定的工作，已經(jīng)成為航天熱控技術(shù)發(fā)展的瓶頸。真空閃蒸噴霧冷卻由于散熱密度大、溫控效果好、冷卻效率高、所需工質(zhì)流量少等優(yōu)點(diǎn)，被NASA確定為一種優(yōu)先考慮的空間熱控方案。同時(shí)，隨著電子集成及高功率激光技術(shù)的發(fā)展，真空閃蒸噴霧冷卻也可以作為這些領(lǐng)域的一種高熱流密度散熱方式

2、。但是，作為一種新型的熱控方法，在公開文獻(xiàn)中，還很少發(fā)現(xiàn)與真空閃蒸噴霧冷卻相關(guān)的詳細(xì)研究報(bào)告。本文針對真空閃蒸噴霧冷卻的傳熱特性、傳熱機(jī)理及傳熱強(qiáng)化方法，展開了系列實(shí)驗(yàn)研究。
　　首先，針對航天器真空條件下的熱控環(huán)境，本文搭建了真空閃蒸噴霧冷卻的實(shí)驗(yàn)平臺，利用實(shí)驗(yàn)方法研究了閃蒸噴霧冷卻的傳熱特性，并得出了關(guān)鍵參數(shù)對閃蒸噴霧冷卻傳熱的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:閃蒸噴霧冷卻可以有效降低發(fā)熱表面的表面溫度，并減小表面溫度的不均勻性;在閃蒸

3、噴霧冷卻中，存在著使得散熱熱流密度達(dá)到最大的最佳噴霧高度;與常壓噴霧冷卻相比，由于液體在真空環(huán)境下的閃蒸使得工質(zhì)的潛熱得到更加充分的利用，因此，閃蒸噴霧冷卻工質(zhì)利用效率高，在實(shí)現(xiàn)相同散熱密度時(shí)所需流量僅為常壓噴霧冷卻的三分之一;但不同于常壓噴霧冷卻的是，在閃蒸噴霧冷卻中，存在著最佳噴霧流量使得閃蒸噴霧冷卻獲得最佳的傳熱效果。該研究為閃蒸噴霧冷卻的工程應(yīng)用，特別是對需要嚴(yán)格控制重量的空間熱控提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　為了探索閃蒸噴霧冷卻

4、可行的散熱強(qiáng)化方法，本文利用上述實(shí)驗(yàn)平臺研究了納米流體對閃蒸噴霧冷卻傳熱特性的影響。納米流體由10nm、20nm以及30nm粒徑的Al2O3納米顆粒在不同濃度下與水混合制備而成。研究發(fā)現(xiàn):當(dāng)被冷卻表面的溫度小于80℃時(shí)，三種粒徑的納米顆粒對閃蒸噴霧冷卻的傳熱效果幾乎沒有影響;但當(dāng)被冷卻表面溫度大于90℃時(shí)，不同粒徑的納米顆粒對閃蒸噴霧冷卻散熱特性呈現(xiàn)出不同的影響效果，粒徑10nm的Al2O3納米顆?？梢詫﹂W蒸噴霧冷卻的傳熱起到一定的增強(qiáng)

5、作用，而20nm和30nm的Al2O3納米顆粒卻對傳熱起阻礙作用，出現(xiàn)這種情況的原因可能是由于納米顆粒本身的吸附和沉降，使得大粒徑的納米顆粒更容易吸附在一起形成納米微團(tuán)，從而影響了液滴閃蒸和液膜對表面的沖刷作用，造成傳熱惡化。
　　為了進(jìn)一步分析納米流體中納米顆粒以及分散劑的作用，本文用氧化鋁納米顆粒配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1％的納米流體，并以PVP作為納米流體的分散劑，分別研究不同濃度的PVP對納米流體傳熱特性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:在

6、閃蒸過程中，分散劑由于在真空環(huán)境中的揮發(fā)，使得其對傳熱特性的影響幾乎可以忽略;但在常壓下的普通噴霧冷卻過程中，分散劑以及帶有分散劑的納米流體對噴霧冷卻的傳熱具有明顯的強(qiáng)化作用，并且，后者的強(qiáng)化效果會(huì)隨著分散劑濃度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，因此，存在一個(gè)最佳的分散劑添加濃度使得傳熱效果達(dá)到最大;而沒有添加分散劑的納米流體卻對噴霧冷卻的傳熱效果起到了阻礙作用。這表明，以PVP為分散劑的納米流體作為噴霧冷卻的工質(zhì)時(shí)，提高傳熱效果的并不是納

7、米顆粒本身而是PVP分散劑。該結(jié)論有利于解釋現(xiàn)有文獻(xiàn)使用納米顆粒后傳熱效果相互矛盾的現(xiàn)象，為納米顆粒傳熱增強(qiáng)機(jī)理的探究提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　最后，為了研究閃蒸噴霧冷卻對電子芯片等局部高溫?zé)嵩吹睦鋮s性能，建立了模擬局部高溫?zé)嵩瓷岬拈W蒸噴霧冷卻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究被冷卻表面的散熱特性，重點(diǎn)分析表面強(qiáng)化結(jié)構(gòu)對閃蒸噴霧冷卻散熱性能的影響。在該系統(tǒng)中，用射頻電阻模擬面積為1.2cm2的高溫?zé)嵩窗l(fā)熱面，并采用光滑表面、直肋表面和方針肋表面作為發(fā)熱

8、源的熱擴(kuò)表面，并與常壓下普通噴霧冷卻的實(shí)驗(yàn)結(jié)果加以對比。研究表明:在相同條件下，閃蒸噴霧冷卻的散熱效果遠(yuǎn)大于普通噴霧冷卻;采用強(qiáng)化表面能夠提高閃蒸及普通噴霧冷卻的散熱熱流密度，但對閃蒸噴霧冷卻散熱的強(qiáng)化效果不如普通噴霧冷卻;在實(shí)驗(yàn)條件范圍內(nèi)，直肋表面對換熱的強(qiáng)化性能最好;增大噴霧流量可以降低普通噴霧冷卻和閃蒸噴霧冷卻的表面溫度，但是對普通噴霧冷卻的降溫效果更加明顯，采用直肋為熱擴(kuò)表面，流量從1.6L/h增加到3.1L/h時(shí)，普通噴霧冷卻