关键词：
喷雾冷却
R1336mzz
临界热流密度
微通道
拓扑优化
摘要：
电子设备集成度越来越高,功率不断增大,导致热流密度急剧升高,散热问题已经成为限制电子设备发展的技术瓶颈之一。喷雾冷却和微通道冷却利用了冷却工质的相变潜热,具有传热系数高、温度均匀性好、工质需求小等优点,常被用于解决高功率器件散热问题。然而,喷雾冷却和微通道冷却的影响因素众多,传热机理也极为复杂。为满足不同类型高热流密度电子设备的散热需求,需进一步探究喷雾冷却和微通道的强化换热方法。本文对喷雾冷却和微通道两种散热技术的流动和传热特性进行了数值分析和实验研究。具体研究内容如下:(1)喷雾冷却性能及雾化特性可视化研究搭建了一个闪蒸喷雾冷却可视化实验平台,观察了闪蒸喷雾和过冷喷雾的雾化特性、液膜行为和雾化角度。研究了过热度、喷雾距离和喷嘴孔径等因素对雾化特性与冷却性能的影响。结合可视化结果对比分析了过冷喷雾和闪蒸喷雾在换热特性上的差异。结果表明,适当增加过热度可以改善雾化特性,减小液滴尺寸,使壁面液膜变薄,从而提高相变换热效率。当过热度从0增加到0.47时,喷雾壁面温度从57.9℃下降到52℃。此外,与过冷喷雾相比,闪蒸喷雾可以缩短最佳喷雾距离,有利于减小喷雾装置尺寸,节省空间。最后,对比分析了喷嘴孔径(0.5 mm、0.7 mm和0.9 mm)对闪蒸喷雾的雾化特性和冷却性能的影响,喷嘴的合理选择应考虑孔径大小与入口温度、流量等参数的耦合效应,最佳的喷嘴孔径不仅有利于细小液滴的形成,而且确保有足够的液滴通量参与壁面换热。(2)喷雾冷却传热特性的数值研究基于欧拉-拉格朗日方法建立了喷雾冷却数值模型,主要包括:湍流模型、组分输运模型、离散相模型和液膜模型等。首先采用湍流和组分输运模型计算了连续相流场,然后采用离散模型设定离散相参数,采用拉格朗日液膜模型分析液滴聚集、液滴输运、粒子飞溅、颗粒分离和粘附等行为,最后将雾化液滴与连续相场进行耦合求解,研究热流密度、流量、液滴速度和过载加速度等参数对喷雾冷却传热特性的影响。计算结果表明,雾化中心区域液滴速度快,对壁面中心液膜冲击作用强,导致壁面中心液膜震荡流动速度快,外围液膜流动速度较慢;与此同时,液膜沿径向流动,造成壁面外围液膜较厚;平均壁面温度随着喷雾流量的增加而降低,当流量从0.0035 kg/s增加到0.0125 kg/s时,平均壁面温度从34.9℃降低到30.9℃;通过比较不同过载加速度条件下的液膜分布特征和壁面温度分布,发现过载加速度对喷雾冷却换热性能影响不大;喷雾冷却性能随着液滴速度的增加而改善,当液滴速度从12 m/s增大到20 m/s时,平均壁面温度从42.9℃降低到39℃,传热系数从28 k W/(m2·℃)提高到32 k W/(m2·℃)。(3)紧凑空间喷雾冷却性能的研究本章设计了微小型喷嘴,研制了紧凑式喷雾冷却装置,对比研究了紧凑空间过冷喷雾冷却、射流冷却和闪蒸喷雾冷却的换热性能,并分析了射流冷却与闪蒸喷雾冷却的温度波动特性。研究结果表明:在紧凑型喷雾冷却装置中,当入口温度高于喷雾腔内饱和温度时,受热面温度被降低,表明在紧凑空间内发生了闪蒸,闪蒸效应由于潜热的快速利用而促进了热传递的增强。随着热流密度的增加,闪蒸冷却的冷却性能优于过冷喷雾冷却和喷射冷却。研究还发现,在紧凑的空间内,闪蒸喷雾冷却更稳定。(4)高功率模块的喷雾冷却实验研究针对高功率模块的散热需求,设计了喷嘴阵列的闪蒸喷雾冷却装置。实验研究了喷雾流量、入口温度和喷雾腔压力等因素对喷雾冷却传热特性的影响。结果表明,当流量为1.4 L/min时,冷却性能最佳,临界热流密度(Critical Heat Flux,CHF)可达349 W/cm2。同时,研究发现提升入口温度或降低喷雾腔的压力均有利于改善喷雾冷却的换热性能。当入口温度为48.2℃时,喷雾表面的换热系数分别比入口温度26.5℃和34.3℃时提高了85.6%和36.1%;当喷雾腔压力从66 k Pa降至52 k Pa时,壁面温度降低了16.9%。验证了喷雾冷却对高功率模块的散热能力。(5)高功率器件阵列的新型微通道数值研究针对器件阵列的散热需求,采用拓扑优化方法,以流动功耗和平均温度最小化为目标函数,设计了一种新型流道结构—拓扑微通道。并且采用共轭传热模型对拓扑微通道热沉和常规微通道热沉进行了数值研究。计算结果表明,拓扑微通道具有分叉和汇流的结构特征,可以破坏流动边界层,促使冷热流体的充分混合,提高局部对流换热系数。与常规微通道相比,拓扑微通道具有温度均匀性好和压降小等优点,当流量为2.2×10-4kg/s时,拓扑微通道受热面最高温度为比常规微通道低4℃左右,拓扑微通道的压降比常规微通道低0.593 k Pa左右。(6)高功率器件阵列的微通道冷却实验研究针对高功率器件阵列散热需求,结合微通道冷却和射流冷却集成度好、传热效率高的优势,研制微通道-射流复合散热器,研
