喷雾冷却传热特性、传热强化的温度不均匀性及研究.pdf

摘要 摘 要 电子器件小型化、微型化和集成化技术发展迅速，功率密度也越来越高， 其散热问题已成为制约高功率电子器件发展的一个关键瓶颈问题。喷雾冷却是 一种高热流密度散热方式，由于具有散热能力强、工质需求量小等优点，在电 子器件散热方面具有广阔的应用前景。本文的工作重点在于研究喷雾冷却的传 热特性，分析了喷雾冷却加热面温度不均匀性的影响因素和形成机理，探索了 强化表面和添加剂对喷雾冷却换热的影响。 首先，利用实验方法研究了喷雾冷却的传热特性和各主要因素对传热特性 的影响，并得出了单相区和两相区换热的无量纲关联式。研究结果表明：喷雾 高度、喷雾流量主要通过改变喷雾特性参数来影响换热，其对单相区换热影响 最大；系统压力通过改变喷雾工质的饱和温度来影响发热表面的过热度，系统 压力越低，喷雾冷却越提前进入两相区，发热面过热度越高，换热也越强；而 入口温度对喷雾冷却单相区换热影响相对较小。通过对实验结果的分析，得出 了喷雾冷却在单相区和两相区换热的无量纲关联式：单相区喷雾冷却换热无量 纲关联式主要与液滴的韦伯数、雷诺数、普朗特数和代表液膜蒸发速率的无量 纲温度有关；两相区喷雾冷却换热的无量纲关联式主要与喷雾液滴的韦伯数、 雷诺数、普朗特数和雅克伯数有关，所得关联式和本文及国内外文献的实验结 果相比，其误差在8% 以内，高于现有的其他关联式。 在对原喷雾冷却理论模型修正的基础上，结合实验方法研究了不同喷雾高 度、喷雾流量、热流密度、喷嘴、系统压力以及重力条件下的表面温度不均匀 性。研究结果表明：实验结果和计算结果吻合较好，其误差小于10%；喷雾高 度、喷雾流量和喷嘴类型通过改变喷雾特性参数来影响喷雾冷却换热，并进而 对表面温度不均匀性产生重要影响；表面温度不均匀性随着热流密度的增大而 增大，当喷雾冷却工作在两相区时，这种增长的趋势会得到减缓；低系统压力 时的表面温度不均匀性低于常压下的表面温度不均匀性；在单相区，微重力条 件下和常重力条件下喷雾冷却的表面温度不均匀性相差很小；在两相区，这种 表面温度不均匀性差别增大，微重力条件下喷雾冷却的温度不均匀性远远大于 常重力条件下的喷雾冷却。 本文还通过对不同喷雾液滴速度分布不均匀性、SMD 分布不均匀性、液滴 数分布不均匀性及不同加热功率下的液膜厚度、液膜速度和表面温度分布进行 仿真分析，探讨了喷雾冷却表面温度不均匀性的形成机理，并得到了影响表面 温度不均匀性的关联式。液膜厚度、速度及表面温度分布随喷雾液滴速度分布 I 摘要 不均匀性、SMD 分布不均匀性、液滴数分布不均匀性的改变而发生变化；随着 三个喷雾特性参数不均匀性的减小，加热面上液膜厚度分布趋向均匀，液膜速 度增大，表面温度不均匀性减小；加热面上温度最高点出现在加热面中心，最 低点出现在液膜覆盖区和无液膜区的分界处；液滴数分布不均匀性的变化对表 面温度不均匀性的影响最大，其次是液滴速度分布不均匀性，液滴 SMD 分布 不均匀性对表面温度不均匀性的影响最小；表面温度不均匀性主要是由于喷雾 特性参数的不均匀性和加热面上的液膜分布不均造成的；最后通过对这些影响 因素的分析，得到了反映单相区和两相区表面温度不均匀性的关联式，其误差 在20% 以内。 最后，通过实验方法探索了直肋结构强化表面和不同添加剂对喷雾冷却的 换热的影响，并提出了采用高醇类表面活性剂强化喷雾冷却传热特性的方法。 研究结果表明：直肋结构强化表面能增大有效传热面积，进而增强喷雾冷却的 换热能力，但对换热能力增强较小，仅为12%；盐类添加剂（NaCl 和Na SO ）、 2 4 高醇类添加剂（1-Octanol 和2EH ）均能对喷雾冷却的换热起到增强的作用，但 是这种增强作用并非随溶液中添加剂的含量的增大而单调增大的，当添加剂含 量增大到一定程度后，其喷雾冷却的换热能力反而下降；以盐类添加剂（NaCl 和Na SO ）的水溶液为喷雾工质的喷雾冷却，其换热能力最大提高分别为29% 、 2 4 31%，但由于盐类添加剂容易堵塞喷嘴，对喷嘴和实验系统具有一定的腐蚀作 用，因此不具有实际应用价值；以高醇类表面活性剂（1-Octanol 和2EH ）的水 溶液为喷雾工质的喷雾冷却，其换热能力最大增幅分别为28% 、36%，且此添 加剂具有用量小，价格便宜，换热能力强，无毒无腐蚀性等优点，具有广阔的 工程应用前景。 关键词：喷雾冷却；喷雾特性；表面温度不均匀性；系统压力；喷雾高度；喷 雾流量；入口温度 II Abstract Abstract With the rapid development of the miniaturization and