噴霧冷卻中液滴撞擊固體壁面的動(dòng)態(tài)特性及傳熱特性研究.pdf

1、隨著生產(chǎn)工藝、電子科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,電子元器件的集成度不斷提高,功耗不斷增加;這使其工作時(shí)產(chǎn)生的廢熱也越來越多,所處的熱環(huán)境越來越惡劣。已有的傳統(tǒng)冷卻方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)階段電子設(shè)備的冷卻需求,噴霧冷卻作為一種新型的高效冷卻技術(shù),以其極高的冷卻熱流密度,超強(qiáng)的溫度控制能力以及啟動(dòng)迅速等優(yōu)點(diǎn),受到了研究人員們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注,其有望成為未來高熱流密度冷卻的主要技術(shù)。目前針對(duì)噴霧冷卻性能強(qiáng)化的方法很多,對(duì)熱沉表面進(jìn)行強(qiáng)化結(jié)構(gòu)加工是一種最為常見、也

2、易于應(yīng)用到工程實(shí)際的方法。
　　為深入地分析了解噴霧冷卻的機(jī)理,提高其換熱性能,本文對(duì)噴霧冷卻過程中最為基本的現(xiàn)象——單液滴與固體壁面間的碰撞及熱質(zhì)傳遞過程進(jìn)行了研究。通過對(duì)單液滴在不同工況下撞擊不同浸潤(rùn)特性、不同結(jié)構(gòu)的固體壁面動(dòng)態(tài)及熱質(zhì)傳遞特性的可視化實(shí)驗(yàn)研究,得到了強(qiáng)化單液滴撞擊固體壁面后熱質(zhì)交換的方法;由此進(jìn)一步設(shè)計(jì)了凹孔強(qiáng)化結(jié)構(gòu)表面,并對(duì)其噴霧冷卻換熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。本文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下:
　　①本文首先

3、對(duì)液滴撞擊親水及疏水兩種浸潤(rùn)性壁面進(jìn)行了可視化實(shí)驗(yàn),研究了液滴尺寸,撞擊速度及壁面浸潤(rùn)性對(duì)單液滴撞擊固體壁面行為特性的影響,如:鋪展、回縮的特性、時(shí)間,鋪展因數(shù),表觀接觸角等。詳細(xì)分析了在疏水壁面上液滴的振蕩特性,并對(duì)此過程中液滴表觀接觸角的變化進(jìn)行了擬合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:液滴直徑對(duì)其鋪展時(shí)間、鋪展因數(shù)均有影響。壁面浸潤(rùn)性對(duì)液滴撞擊的動(dòng)態(tài)行為影響較大,相同撞擊條件下,液滴在親水壁面上的鋪展因數(shù)大于在疏水壁面上的鋪展因數(shù),液滴在疏水壁面上的

4、回縮速度大于親水壁面;液滴在疏水壁面上的振蕩過程表現(xiàn)為衰減振蕩過程。液滴撞擊速度越大,最大鋪展因數(shù)越大。
　?、趯?duì)液滴撞擊超疏水壁面進(jìn)行了可視化實(shí)驗(yàn)研究,分析了不同撞擊速度下液滴撞擊超疏水壁面的不同結(jié)果;總結(jié)了液滴濺射出衛(wèi)星液滴的特性與規(guī)律,以及液指回縮、聚并的行為。同時(shí)利用CLSVOF方法對(duì)液滴撞擊超疏水壁面過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,分析了液滴撞擊超疏水壁面過程中內(nèi)部壓力及速度分布規(guī)律與空氣卷吸現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:液滴撞擊超疏水壁

5、面會(huì)發(fā)生反彈脫離現(xiàn)象,其鋪展及反彈的具體特征受撞擊速度影響較大;撞擊速度越大,液滴鋪展、回縮速度越大,最大鋪展因素越大,反彈后形變的隨機(jī)性越大;液滴高速撞擊超疏水壁面,會(huì)發(fā)生濺射現(xiàn)象,形成液指并脫離衛(wèi)星液滴。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn):CLSVOF非常適合液滴與超疏水壁面撞擊過程的數(shù)值模擬,其結(jié)果與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常吻合。在撞擊超疏水壁面的整個(gè)過程中,液滴內(nèi)部速度及壓力均保持軸對(duì)稱分布特性。
　?、劾霉饪涛⒓庸さ确椒?制取了非均勻浸潤(rùn)性

6、壁面。對(duì)液滴撞擊半親水半超疏水壁面、含單條超疏水線親水壁面、含十字超疏水線親水壁面和兩種不同線寬的間隔超疏水線壁面進(jìn)行了可視化實(shí)驗(yàn)研究。分析研究了不同撞擊速度下,液滴在不同的非均勻浸潤(rùn)性壁面上特有的動(dòng)態(tài)行為。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:在非均勻浸潤(rùn)性壁面的每一種浸潤(rùn)性表面上,液滴撞擊后的動(dòng)態(tài)行為均保持其單獨(dú)撞擊到這種浸潤(rùn)性表面后的特性;而在交界處,液滴受兩部分浸潤(rùn)性的耦合影響,其形狀為平緩的過渡連接。因此會(huì)出現(xiàn)液滴撞擊到半親水半超疏水壁面上發(fā)生翻折的

7、現(xiàn)象;在含單條或十字超疏水線的親水壁面會(huì)被超疏水線“切割”的現(xiàn)象。液滴撞擊到間隔超疏水線壁面上會(huì)出現(xiàn)破碎、殘留小液滴的現(xiàn)象;這種現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生較大的擾動(dòng),且穩(wěn)定時(shí)會(huì)形成較長(zhǎng)的三相接觸線。
　?、芾肁ZO導(dǎo)電玻璃制取了不同的透明加熱壁面,進(jìn)行了液滴撞擊加熱壁面的可視化實(shí)驗(yàn)。研究了撞擊速度,壁面浸潤(rùn)性,壁面過熱度對(duì)液滴撞擊加熱壁面后的動(dòng)態(tài)及傳熱特性的影響,以及間隔超疏水線壁面等對(duì)液滴與壁面間熱質(zhì)傳遞的影響;根據(jù)分析結(jié)果提出了使用凹孔結(jié)構(gòu)

8、表面強(qiáng)化單液滴與壁面間的熱質(zhì)傳遞,并同時(shí)進(jìn)行了液滴撞擊凹孔結(jié)構(gòu)加熱表面的可視化實(shí)驗(yàn)。通過上述實(shí)驗(yàn)及分析發(fā)現(xiàn):隨著壁面親水性的增強(qiáng),液滴與壁面間的傳熱性能增強(qiáng);在三相接觸線附近,換熱性能較好;液滴撞擊到凹孔結(jié)構(gòu)表面會(huì)產(chǎn)生二次鋪展現(xiàn)象,這種現(xiàn)象及在凹孔結(jié)構(gòu)表面上較大的液固接觸面積、三相接觸線長(zhǎng)度和凹孔角區(qū)的強(qiáng)化傳熱效應(yīng),均能增強(qiáng)液滴與凹孔結(jié)構(gòu)表面間熱質(zhì)的傳遞性能。
　?、菰O(shè)計(jì)制造了凹孔結(jié)構(gòu)熱沉表面,并分別以水和液氨為工質(zhì),對(duì)單相強(qiáng)制對(duì)

9、流和相變換熱階段凹孔表面對(duì)噴霧冷卻性能的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。分析了單相強(qiáng)制對(duì)流階段凹孔表面以及工質(zhì)流量對(duì)噴霧冷卻熱流密度、換熱系數(shù)和表面溫度分布的影響,以及凹孔表面對(duì)換熱機(jī)制轉(zhuǎn)變的影響。對(duì)不同尺寸結(jié)構(gòu)的凹孔表面進(jìn)行了氨噴霧冷卻實(shí)驗(yàn),研究了在相變換熱階段,凹孔表面的具體結(jié)構(gòu)對(duì)噴霧冷卻性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在相變換熱階段,凹孔表面對(duì)噴霧換熱性能有明顯的增強(qiáng)作用,且強(qiáng)化程度主要受表面Bo數(shù)的影響,Bo數(shù)越小,凹孔表面的強(qiáng)化換熱作用越大。在