噴霧冷卻無沸騰區(qū)換熱特性研究.pdf

1、未來電子設備體積小、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。作為先進散熱技術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、介質需求量小等特點，備受研究者關注。然而現(xiàn)有的研究，因實驗條件的差異所得結論亦有所不同。對噴霧冷卻的認識相對缺乏，且關注熱點主要集中沸騰區(qū)，無沸騰區(qū)換熱很少涉及。
　　 鑒于此，本文重點對噴霧冷卻中無沸騰區(qū)的換熱特性進行理論以及實驗研究。以水為冷卻介質，采用半實心旋流式機

2、械霧化噴嘴、實心機械霧化的噴嘴，對影響無沸騰換熱特性的因素、強化換熱方法等進行了較為系統(tǒng)的研究。
　　 實驗方面主要研究工作：
　　 1、噴嘴霧化特性：運用相位多普勒粒子分析儀(PDPA)對實心、半實心噴嘴霧化特性進行測試分析。結果表明：液滴徑向、軸向速度、粒徑分布不均勻，半實心噴嘴非均勻性更為明顯；半實心噴嘴霧化中心區(qū)有一旋流導致的回流區(qū)，對應于換熱面有一明顯的滯止區(qū)。回流區(qū)內液滴顆粒數(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。結果表明，液滴速度、粒徑、數(shù)量通量、介質質量通量共同影響著無沸騰區(qū)換熱。結合理論分析與實驗結果，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；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。此外，

4、本文對霧化特性(液滴粒徑、速度、質量通量)影響進行了較為系統(tǒng)的分析，提出質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。通過對半實心旋流式機械霧化噴嘴傾斜噴射散熱特性的研究，發(fā)現(xiàn)：1)當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接和外接。2)傾斜角度在0-49°范圍內變化時，傾斜角度越大對滯止區(qū)

5、沖刷作用越強，換熱增加。結合不同高度噴嘴霧化特性，對上述結論進行理論分析，給出傾斜噴射的角度限制條件和最佳高度計算關系式。
　　 4、對刻有微槽道冷卻面的換熱特性進行了系統(tǒng)的理論和實驗分析。采用實心機械霧化噴嘴，質量通量為44-53Kg/m2s時，研究結果表明刻有微槽道結構的散熱面可明顯增強換熱性能。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)，熱流增加比例遠小于

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

7、綱溫度ξ。對實心噴嘴高流量(240＜Re＜527)、半實心噴嘴小流量(116.2＜Re＜289.2)，給出了無量綱關系式。與文獻中已有的關系式比較，發(fā)現(xiàn)本文經驗關系式能更好反映無沸騰區(qū)換熱的實際狀況，誤差更小，運用范圍更廣。
　　 理論研究方面：
　　 重點考察了沸騰區(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-液滴動力學基本知識，對有氣泡產生的換熱表面進行數(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