噴霧冷卻無沸騰區(qū)換熱特性研究.pdf

1、未來電子設(shè)備體積小、集成度高和功率密度高的發(fā)展趨勢已使散熱問題成為影響其發(fā)展的重要瓶頸。作為先進(jìn)散熱技術(shù)之一的噴霧冷卻有著散熱功率高、冷卻均勻、無沸騰滯后效應(yīng)、介質(zhì)需求量小等特點(diǎn)，備受研究者關(guān)注。然而現(xiàn)有的研究，因?qū)嶒?yàn)條件的差異所得結(jié)論亦有所不同。對噴霧冷卻的認(rèn)識相對缺乏，且關(guān)注熱點(diǎn)主要集中沸騰區(qū)，無沸騰區(qū)換熱很少涉及。
　　 鑒于此，本文重點(diǎn)對噴霧冷卻中無沸騰區(qū)的換熱特性進(jìn)行理論以及實(shí)驗(yàn)研究。以水為冷卻介質(zhì)，采用半實(shí)心旋流式機(jī)

2、械霧化噴嘴、實(shí)心機(jī)械霧化的噴嘴，對影響無沸騰換熱特性的因素、強(qiáng)化換熱方法等進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。
　　 實(shí)驗(yàn)方面主要研究工作：
　　 1、噴嘴霧化特性：運(yùn)用相位多普勒粒子分析儀(PDPA)對實(shí)心、半實(shí)心噴嘴霧化特性進(jìn)行測試分析。結(jié)果表明：液滴徑向、軸向速度、粒徑分布不均勻，半實(shí)心噴嘴非均勻性更為明顯；半實(shí)心噴嘴霧化中心區(qū)有一旋流導(dǎo)致的回流區(qū)，對應(yīng)于換熱面有一明顯的滯止區(qū)?；亓鲄^(qū)內(nèi)液滴顆粒數(shù)密度小，速度、粒徑均較邊界處小。

3、
　　 2、研究噴嘴霧化特性、壁面粗糙度對換熱特性的影響。結(jié)果表明，液滴速度、粒徑、數(shù)量通量、介質(zhì)質(zhì)量通量共同影響著無沸騰區(qū)換熱。結(jié)合理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究發(fā)現(xiàn)：1)液滴速度、數(shù)量通量對換熱有著積極的影響，因其增加會增加液膜擾動和運(yùn)動速度；2)壁面溫度對換熱特性有著積極的影響，壁面溫度越高液膜蒸發(fā)越快，換熱增強(qiáng)；3)由于滯止區(qū)的存在，壁面溫度分布不均勻，在平均溫度為90℃時，局部區(qū)出現(xiàn)沸騰；4)粗糙度越大，換熱性能越強(qiáng)。此外，

4、本文對霧化特性(液滴粒徑、速度、質(zhì)量通量)影響進(jìn)行了較為系統(tǒng)的分析，提出質(zhì)量通量為決定無沸騰區(qū)換熱特性的最主要因素。
　　 3、系統(tǒng)地研究了傾斜噴射時，噴嘴傾斜角度、噴射高度對噴霧換熱特性的影響。通過對半實(shí)心旋流式機(jī)械霧化噴嘴傾斜噴射散熱特性的研究，發(fā)現(xiàn)：1)當(dāng)傾斜噴射底面橢圓長軸與換熱面相切時換熱性能最佳，此時的噴嘴高度為最佳噴射高度；其次為底面長軸與換熱面內(nèi)接和外接。2)傾斜角度在0-49°范圍內(nèi)變化時，傾斜角度越大對滯止區(qū)

5、沖刷作用越強(qiáng)，換熱增加。結(jié)合不同高度噴嘴霧化特性，對上述結(jié)論進(jìn)行理論分析，給出傾斜噴射的角度限制條件和最佳高度計(jì)算關(guān)系式。
　　 4、對刻有微槽道冷卻面的換熱特性進(jìn)行了系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)分析。采用實(shí)心機(jī)械霧化噴嘴，質(zhì)量通量為44-53Kg/m2s時，研究結(jié)果表明刻有微槽道結(jié)構(gòu)的散熱面可明顯增強(qiáng)換熱性能。對于槽道高度較小(0.1mm)的工況，面積增加比例超過了熱流增加比例。槽道高度較大時(0.2mm、0.4mm)，熱流增加比例遠(yuǎn)小于

6、面積增加比例。結(jié)合噴嘴霧化特性和理論分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)槽道高度較小時，其不僅增加了換熱面積，更有利于液膜的擴(kuò)散，減小液膜厚度，換熱系數(shù)增加；本文的實(shí)驗(yàn)工況下，高度為0.2mm微結(jié)構(gòu)槽道換熱最佳，其次為0.1mm和0.4mm微槽。
　　 5、研究了噴霧冷卻中無沸騰區(qū)換熱關(guān)系式。對本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行無量綱化處理，發(fā)現(xiàn)影響無沸騰區(qū)換熱的主要因素為包括反映質(zhì)量通量的Re數(shù)，表征粒徑、液滴速度綜合效應(yīng)的Weber數(shù)及本文提出的與壁面溫度相關(guān)的無量

7、綱溫度ξ。對實(shí)心噴嘴高流量(240＜Re＜527)、半實(shí)心噴嘴小流量(116.2＜Re＜289.2)，給出了無量綱關(guān)系式。與文獻(xiàn)中已有的關(guān)系式比較，發(fā)現(xiàn)本文經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式能更好反映無沸騰區(qū)換熱的實(shí)際狀況，誤差更小，運(yùn)用范圍更廣。
　　 理論研究方面：
　　 重點(diǎn)考察了沸騰區(qū)中“二次成核”對換熱特性的影響?；趪婌F冷卻換熱原理和氣泡-液滴動力學(xué)基本知識，對有氣泡產(chǎn)生的換熱表面進(jìn)行數(shù)值研究，研究成核范圍系數(shù)β和成核系數(shù)ψ變化對換