振蕩熱管傳熱機(jī)理及傳熱性能的研究.pdf

1、電子器件日益嚴(yán)峻的散熱問(wèn)題促使振蕩熱管這種新型高效的傳熱元件倍受矚目。與普通熱管不同，振蕩熱管不是單純的相變傳熱，而是集顯熱傳熱、相變傳熱、膨脹功于一體，涉及多物理學(xué)科的復(fù)雜汽液兩相流系統(tǒng)，到目前人們還不能清楚地解釋其機(jī)理。 本論文研究的主題是“振蕩熱管的傳熱機(jī)理及傳熱能性”，旨在探求影響因素與振蕩熱管傳熱性能間的關(guān)系，傳熱性能的定性定量評(píng)價(jià)方法，以及振蕩熱管內(nèi)部振蕩流、傳熱及傳質(zhì)間內(nèi)在的關(guān)系。本文提出了將試驗(yàn)設(shè)計(jì)和統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)

2、應(yīng)用于傳熱性能的多因素分析；完善了毛細(xì)尺度下穩(wěn)態(tài)液膜蒸發(fā)傳熱傳質(zhì)特性；建立了詳細(xì)的振蕩熱管系統(tǒng)質(zhì)量、能量和動(dòng)量守恒控制方程，首次對(duì)振蕩熱管的傳熱機(jī)理作了初步完善的解釋?zhuān)皇状瓮茖?dǎo)出振蕩熱管當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的定性表達(dá)式，并提出了利用求解“導(dǎo)熱反問(wèn)題”的方法定量研究其當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)。 本文的具體研究工作包括如下幾個(gè)方面： (1) 振蕩熱管傳熱性能的多因素分析研究是以銅－水閉合回路振蕩熱管為對(duì)象，研究充液率、傾斜角度、加熱水流量與傳熱

3、功率間的關(guān)系。首先采用中心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)合理地安排傳熱性能試驗(yàn)；然后采用統(tǒng)計(jì)技術(shù)處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中包括：假定傳熱功率與影響因素之間滿足二階多項(xiàng)式非線性關(guān)系；采用最小二乘法估計(jì)二階模型的系數(shù)，并驗(yàn)證二階模型的合理性；采用方差分析研究各因素及其交互作用影響的顯著性程度；對(duì)回歸模型求極值，得出最佳傳熱性能條件下因素的最優(yōu)組合。結(jié)果顯示：得出的二階多項(xiàng)式非線性模型較好地反映了三個(gè)影響因素與傳熱功率間的關(guān)系；在三個(gè)研究因素中，傾斜角度的影響最為顯著

4、，其次是加熱水流量和充液率，但他們間的交互影響不顯著。 (2) 振蕩熱管基礎(chǔ)理論研究是分別對(duì)其內(nèi)部的液膜行為、液塞行為和汽泡行為進(jìn)行分析，研究毛細(xì)管內(nèi)液膜的穩(wěn)定性、輪廓和傳熱傳質(zhì)特性，液塞受力和汽泡作功等物理現(xiàn)象。重點(diǎn)研究了毛細(xì)管內(nèi)液膜穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)特性：在Nusselt膜理論假定的基礎(chǔ)上，結(jié)合毛細(xì)管內(nèi)液膜的特點(diǎn)，考慮液膜附加壓力、界面熱阻、液膜過(guò)熱度，分別對(duì)液膜的平衡區(qū)、過(guò)渡區(qū)和宏觀區(qū)建立了穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)模型相應(yīng)的控制方程。以石英玻璃毛細(xì)

5、管內(nèi)水液膜蒸發(fā)為例，采用Runge-Kutta方法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，結(jié)果顯示：熱質(zhì)傳遞發(fā)生在過(guò)渡區(qū)和宏觀區(qū)，在過(guò)渡區(qū)與宏觀區(qū)的分界線附近具有很高的傳熱系數(shù)；與宏觀區(qū)相比，過(guò)渡液膜區(qū)域長(zhǎng)度很小，為微米級(jí)，但對(duì)整個(gè)液膜傳熱傳質(zhì)有相當(dāng)?shù)挠绊懀幻摳綁毫εc毛細(xì)作用分別在過(guò)渡區(qū)和宏觀區(qū)的附加壓力中占主導(dǎo)地位。 (3) 對(duì)振蕩熱管傳熱機(jī)理進(jìn)行了研究。在上述液膜、液塞和汽泡行為分析的基礎(chǔ)上，對(duì)振蕩熱管系統(tǒng)進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化和假設(shè)；然后采用質(zhì)量、能量和動(dòng)

6、量守恒控制方程對(duì)由汽泡、液膜和液塞組成的離散系統(tǒng)進(jìn)行建模；最后采用顯式有限差分法對(duì)建立的物理方程進(jìn)行數(shù)值求解。以n型單液塞振蕩熱管為例進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果顯示：液塞在毛細(xì)管路內(nèi)的運(yùn)動(dòng)既有宏觀振蕩又有局部振蕩，振蕩的幅度和頻率在增大和減小中交替變化，沒(méi)有固定的周期；液塞兩側(cè)汽泡間的壓差是其振蕩的主要驅(qū)動(dòng)力，當(dāng)振蕩熱管非水平工作時(shí)，需考慮重力的影響，與其它力相比，毛細(xì)阻力對(duì)液塞振蕩的影響可以忽略；加熱段刷新液膜短時(shí)間內(nèi)的蒸干是誘發(fā)新一輪振蕩以

7、及強(qiáng)化傳熱的源動(dòng)力；潛熱、顯熱和膨脹功對(duì)于汽泡溫度的變化均有較大的影響。 (4) 對(duì)振蕩熱管當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了研究。把振蕩熱管簡(jiǎn)化為由管殼、液膜和振蕩流組成的復(fù)合材料。徑向?qū)嵯禂?shù)由管殼材料和液膜共同決定，軸向?qū)嵯禂?shù)主要由振蕩液塞決定。根據(jù)振蕩液塞運(yùn)動(dòng)和傳熱特性對(duì)其進(jìn)行合理的假設(shè)，從理論上推導(dǎo)出振蕩液塞當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的定性表達(dá)式 ，該系數(shù)與液塞的振蕩頻率和振蕩幅度成正比。引入求解“導(dǎo)熱反問(wèn)題”的方法定量測(cè)試當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)：利用紅外