三角形槽道微熱管的啟動特性---姚峰

1、中國工程熱物理學會 傳熱傳質(zhì)學學術會議論文 編號：113194三角形槽道微熱管的啟動特性姚峰 陳永平 張程賓 施明恒（東南大學能源與環(huán)境學院，江蘇南京，210096）Tel:

2、025-83793092 E-mail：ypchen@seu.edu.cn摘要：建立了三角形槽道微熱管瞬態(tài)傳熱的理論模型并進行了數(shù)值求解，研究了該型熱管的啟動特性，給出了彎月面毛細半徑、毛細壓差以及熱管壁面溫度沿軸向分布隨時間的變化情況。研究結(jié)果表明，熱管啟動后，彎月面毛細半徑首先急劇減小，相應的，毛細壓差急劇增加，同時熱管壁面溫度迅速上升，隨著時間的推進，三者變化速率皆逐漸減緩，達到穩(wěn)定狀態(tài)。研究結(jié)果還表明，熱管蒸發(fā)段、絕熱段以

3、及冷凝段的壁面溫度能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)調(diào)一致的動態(tài)響應。關鍵詞：微熱管；熱響應；非穩(wěn)態(tài)0 前言熱控制是影響微電子設備可靠運行的重要方面。為了保證微電子設備工作在最佳工作溫度，必須使得設備所產(chǎn)生的熱量得到及時的消散。微熱管（如圖 1 所示）是利用自身內(nèi)部工作介質(zhì)的相變過程進行熱量傳遞的一種高效傳熱元件。由于微熱管具有很高的導熱性、優(yōu)良的等溫性、熱流密度可變性、熱流方向的可逆性、恒溫特性以及環(huán)境的適應性等優(yōu)良特點，可以滿足如 CPU 等電子電氣設備對

4、散熱裝置緊湊、可靠、控制靈活、高散熱效率等要求。dv液體蒸汽固壁θwR(z)A-ALeAAzc L冷凝段La絕熱段蒸發(fā)段圖 1 三角形槽道微熱管簡圖近年來，國內(nèi)外對具有各種形狀槽道的微槽道熱管及微熱管的穩(wěn)態(tài)流動與傳熱特性已進行了較為深入的理論分析與實驗研究[1-5]，而實際上，微熱管的啟動特性研究[6-9]對于熱管的實際應用同樣至關重要，對微熱管的安全啟動具有重要的指導意義，并且還有助于了解微槽道內(nèi)的流變特性。為此，本文建立了三角形槽道

5、微熱管的一維流動與傳熱動態(tài)理論模型，分析了三角形槽道微熱管壁面溫度的動態(tài)響應特性，并進行了數(shù)值求解。1 控制方程組1.1 熱管壁面動態(tài)傳熱模型為簡化計算，忽略熱管固壁沿徑向和周向傳熱，并將所受加熱（冷卻）條件等價為固壁內(nèi)熱源，這樣，熱管蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段內(nèi)沿軸向的一維熱傳導方程分別為 在三角形槽道微熱管中，液體在微槽內(nèi)毛細流動，沿熱管軸向任一位置z處的流體動量方程和連續(xù)性方程分別為（10） w bllll l ll l l w z

6、P A zV V A V A ? ? ?? ? ?? ? ?? ? ?? ) (（11） ml l l l l jR xV A A ? ?? ? ?? ) ( ) ( ???式中，Vl 為液體流速，?w 為壁面切應力，?w = Vl?l(fRe)/(2Dh)。在蒸發(fā)段，槽道內(nèi)液體一方面與管內(nèi)壁進行對流換熱，同時進行蒸發(fā)相變，j 為正。在冷凝段，液體接受氣體冷凝放出的熱量的同時與槽道內(nèi)壁發(fā)生對流換熱，j 為負。而在絕熱段，即沒有蒸發(fā)也沒有

7、冷凝，j 為 0。因此，三角形槽道微熱管中微槽道內(nèi)液體能量微分方程為（12） m fg b l s slll l pl lll pl l R jh w T T h zT A V C tT A C ? ? ? ?? ? ?? ) ( ? ?式中，Cpl 為液相工質(zhì)比熱容，hfg 為汽化潛熱， 1.4 蒸汽傳熱模型在熱管中，蒸汽腔內(nèi)氣相壓力沿軸向變化遠小于槽道內(nèi)液相壓力，因此蒸汽壓力可認為沿軸向保持不變。假設蒸汽腔內(nèi)的蒸汽遵循理想氣體狀態(tài)方

8、程，那么蒸汽壓力可表述為（13） M T R P v u v v / ? ?式中，Pv 為蒸汽壓力，ρv 為蒸汽密度，Tv 為蒸汽溫度。在熱管啟動過程中，蒸汽體積基本保持不變，因此蒸汽密度 ρv 的變化取決于蒸汽質(zhì)量mv 的變化，即（14） ? ??ddmV dd vvv 1 ?式中，Vv 為蒸汽體積。假設在? 時刻蒸汽質(zhì)量為 mv0，則在? +?? 時刻蒸汽質(zhì)量可表述為（15） c e v v m m m m ? ? ? ? ? 0式

9、中，?me 為液體蒸發(fā)成為蒸汽的質(zhì)量，?mc 為蒸汽冷凝成為液體的質(zhì)量。蒸汽腔內(nèi)蒸汽一般處于飽和狀態(tài)，因此飽和蒸汽的溫度與蒸汽密度處于一一對應的關系，也就意味著能夠利用合適的飽和蒸汽熱物理性質(zhì)數(shù)據(jù)來得到飽和蒸汽密度所對應的飽和蒸汽溫度。1.4 初始條件與邊界條件（1）邊界條件：在熱端（即 z=0）處，對任意? 時刻有：（16） 0 , 0 , 0 0 0 z ? ? ?? ? ??? ? l zl s V xTxT在冷端（即 z=L）處