噴霧冷卻傳熱特性、傳熱強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)展的一個關鍵瓶頸問題。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、工質需求量小等優(yōu)點，在電子器件散熱方面具有廣闊的應用前景。本文的工作重點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理，探索了強化表面和添加劑對噴霧冷卻換熱的影響。
　　 首先，利用實驗方法研究了噴霧冷卻的傳熱特性和各主要

2、因素對傳熱特性的影響，并得出了單相區(qū)和兩相區(qū)換熱的無量綱關聯(lián)式。研究結果表明：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，其對單相區(qū)換熱影響最大；系統(tǒng)壓力通過改變噴霧工質的飽和溫度來影響發(fā)熱表面的過熱度，系統(tǒng)壓力越低，噴霧冷卻越提前進入兩相區(qū)，發(fā)熱面過熱度越高，換熱也越強；而入口溫度對噴霧冷卻單相區(qū)換熱影響相對較小。通過對實驗結果的分析，得出了噴霧冷卻在單相區(qū)和兩相區(qū)換熱的無量綱關聯(lián)式：單相區(qū)噴霧冷卻換熱無量綱關聯(lián)式主要與液滴

3、的韋伯數(shù)、雷諾數(shù)、普朗特數(shù)和代表液膜蒸發(fā)速率的無量綱溫度有關；兩相區(qū)噴霧冷卻換熱的無量綱關聯(lián)式主要與噴霧液滴的韋伯數(shù)、雷諾數(shù)、普朗特數(shù)和雅克伯數(shù)有關，所得關聯(lián)式和本文及國內外文獻的實驗結果相比，其誤差在8％以內，高于現(xiàn)有的其他關聯(lián)式。
　　 在對原噴霧冷卻理論模型修正的基礎上，結合實驗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。研究結果表明：實驗結果和計算結果吻合較好，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，并進而對表面溫度不均勻性產生重要影響；表面溫度不均勻性隨著熱流密度的增大而增大，當噴霧冷卻工作在兩相區(qū)時，這種增長的趨勢會得到減緩；低系統(tǒng)壓力時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??；在兩相區(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遠大于常重力條件下的噴霧冷

5、卻。
　　 本文還通過對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行仿真分析，探討了噴霧冷卻表面溫度不均勻性的形成機理，并得到了影響表面溫度不均勻性的關聯(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、溫度不均勻性減小；加熱面上溫度最高點出現(xiàn)在加熱面中心，最低點出現(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分布不均勻性對表面溫度不均勻性的影響最?。槐砻鏈囟炔痪鶆蛐灾饕怯捎趪婌F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聯(lián)式，其誤差在20％以內。
　　 最后，通過實驗

7、方法探索了直肋結構強化表面和不同添加劑對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化噴霧冷卻傳熱特性的方法。研究結果表明：直肋結構強化表面能增大有效傳熱面積，進而增強噴霧冷卻的換熱能力，但對換熱能力增強較小，僅為12％；鹽類添加劑（NaCl和Na2SO4）、高醇類添加劑（1-Octanol和2EH）均能對噴霧冷卻的換熱起到增強的作用，但是這種增強作用并非隨溶液中添加劑的含量的增大而單調增大的，當添加劑含量增大到一定程度后，其噴