微通道热沉过冷流动沸腾研究

• 作 者: 李林
• 机 构: 华中科技大学
• 出 处: 华中科技大学
• 发表日期: 2013年期
• 关键词: 微通道热沉 流动特性 换热系数 数值分析 过冷沸腾模型

微通道热沉是一种冷却能力较高的散热方式，在电子元器件冷却领域具有广阔的应用前景。而随着快速发展的电子元器件集成与封装技术，高/超高热流密度电子元器件冷却的重要性和关键性在国防、航天等领域日益凸显。相对于微通道热沉中的单相冷却技术而言，两相冷却技术具有更高的冷却能力，具有临界热流密度高、温度均匀性好及循环流量低等优点。　　微通道热沉作为冷却系统中的关键部件，其流动及换热特性将会直接影响到整个冷却系统的性能。而热沉的流动及换热性能主要与流道中的质量流率、流道的几何结构和工质的入口参数等密切相关。本文针对微通道的流动与换热性能从进行了数值分析，研究了上述参数对微通道热沉性能的影响。　　通过调研，本文总结了现有关于两相微通道热沉临界热流密度和压降的经验公式。针对目标结构的微通道热沉，根据现有的计算模型对其临界热流密度及压降进行计算，分析了不同工质下微通道的流动及换热特性。结果表明，相对于其它制冷工质，水在冷却高/超高热流密度电子元器件时更加有效，能在相同流量下排散更多热量。　　在两流体模型的基础上结合RPI过冷沸腾模型，本文对微通道中的过冷流动沸腾的换热特性进行了探索研究。根据Fluent数值计算结果，对微通道中的气泡体积分数、液体主流温度及加热壁面温度沿着流动方向的分布规律进行了分析，并以云图的方式加以直观呈现。结果表明，微通道的换热性能将随着通道中质量流率的增加而增强，但其压降则主要由气泡含量决定，随着质量流率的增加反而有所减小。两相微通道热沉性能并不受单一参数约束，而是通道中单相对流换热和两相沸腾换热综合作用结果。实际应用中，微通道热沉中的流量分配将在很大程度影响热源壁面温度分布，流量较少的通道则容易发生烧干现象，从而降低其临界热流密度。为了提高热沉换热性能，需要增加辅助分流结构，使得热沉中各通道的流量分配更加均匀。