（动力工程及工程热物理专业论文）封闭系喷雾冷却热质传递规律实验研究.pdf

e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho n t h el a wo fs p r a yc o o l i n gi nac l o s e dl o o p at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：z h a ox i n s u p e r v i s o r ：w a n gz h a ol i a n g c o l l e g eo ft h e r m a ld y n a m i ce n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：塑日期：删1 年岁月2 q 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版和 电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部f l ( 机构) 送交学 位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印， 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手 段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：垫塑 指导教师签名： 奄。盟缸 日期：v - o r1 年岁月矸日 日期：2 0 1 1 年 月2 7 日 摘要 喷雾冷却技术是一种相变换热冷却技术，通过喷嘴或孔板将冷却工质( 水，无水乙 醇等) 雾化成具有一定初速度的微米级的小液滴，小液滴冲击待冷却表面，通过强制对 流、表面蒸发、液膜内核化沸腾以及二次成核等可能机理强化传热，达到冷却的效果。 本文以封闭式的喷雾冷却实验系统为研究对象，分别针对光滑待冷却表面和微槽待 冷却表面进行了以下研究： ( 1 ) 开放、封闭系统的实验研究 分别在开放式和封闭式实验系统中，利用加热棒对铜柱( 紫铜) 进行加热，以蒸馏 水为冷却工质通过微细雾化喷嘴对光滑金属表面进行冷却，研究该实验状况下喷雾冷却 的冷却能力曲线和系统启动性能，并对开放式和封闭式的实验结果进行对比分析。 ( 2 ) 变工质状况下的喷雾冷却实验研究 在封闭式实验系统中，以无水乙醇为工质，对光滑表面进行冷却，研究该状况下 的冷却能力曲线和启动性能。并研究蒸馏水和无水乙醇按一定比例混合后的混合工质对 喷雾冷却性能的影响。同时，在封闭式实验系统中，以无水乙醇为工质，改变循环水流 量，观察对喷雾系统冷却能力和启动性能的影响。 ( 3 ) 变加热表面( 微槽加热面) 的实验研究 更换加热面，将光滑加热面改为微槽加热面，以无水乙醇为工质，研究微槽加热 面下封闭式喷雾冷却系统的冷却能力曲线和启动性能。 ( 4 ) 理论分析 通过对大量实验数据的分析，对比众多影响因素对喷雾冷却实验性能的影响，对 不同实验条件下的温度变化曲线进行公式拟合，并利用f l u e n t 软件对喷雾过程进行模 拟，摸索其中的规律。 面 关键词：封闭式喷雾冷却系统；冷却能力曲线：启动性能；光滑加热面；微槽加热 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nt h el a w o fs p r a yc o o l i n gi nac l o s e dl o o p z h a ox i n ( t h e r m a le n e r g ye n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f w a n gz h a ol i a n g a b s t r a c t s p r a yc o o l i n gi sap h a s ec h a n g eh e a tt r a n s f e rc o o l i n gt e c h n o l o g y t h r o u g hn o z z l eo r o r i f i c ep l a t e ，w o r k i n gf l u i dw i l lt u r ni n t om i c r o n - l e v e ld r o p l e t s ，a n ds m a l ld r o p l e t sw i l li m p a c t t h es u r f a c et ob ec o o l e d h e a tt r a n s f e rw i l lo c c u rb yf o r c e dc o n v e c t i o n ，s u r f a c ee v a p o r a t i o n ， l i q u i dc o r eo fb o i l i n ga n dt h es e c o n d a r yn u c l e a t i o nm e c h a n i s m t oa c h i e v et h ec o o l i n ge 行e c t i nt h i sp a p e r , w ew i l ls e tac l o s e ds p r a yc o o l i n gs y s t e m ，p a y0 1 1 1 a t t e n t i o nt os p r a y c o o l i n gt oas m o o t hs u r f a c ea n dam i c r oc h a n n e ls u r f a c e w eg e ts o m er e s e a r c ha sf o l l o w s ： ( 1 ) e x p e r i m e n tw i t hd r i l l e dw a t e ra sw o r k i n g f l u i d r e s p e c t i v e l yi no p e na n dc l o s e de x p e r i m e n t a ls y s t e m ，w eu s eh e a t i n gr o d so f t h es e r v a n t ( c o p p e r ) f o rh e a t i n g ，u s i n gd i s t i l l e dw a t e ra sw o r k i n gf l u i dt h r o u g ht h em i c r o - s p r a yn o z z l ef o r c o o l i n go nt h es m o o t hm e t a ls u r f a c et os t u d yt h ec o n d i t i o n so ft h es p r a yc o o l i n ge x p e r i m e n t c o o l i n ga b i l i t yc u r v ea n ds y s t e ms t a r t - u pp e r f o r m a n c e t h e nc o m p a r et h eo p e na n dc l o s e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ( 2 ) t h ee 虢c to fd i f f e r e n tf l u i do nt h ep e r f o r m a n c eo fs p r a yc o o l i n g i nac l o s e de x p e r i m e n t a ls y s t e m ，w eu s ee t h a n o la sw o r k i n gf l u i d s ，c o o l i n gt h es m o o t h s u r f a c et os t u d yt h ec o n d i t i o n so ft h ec o o l i n ga b i l i t yc u r v ea n ds t a r t - u pp e r f o r m a n c e a n dw e s t u d yt h ee f f e c to fd i f f e r e n ti i l i x t u r eo fd i s t i l l e dw a t e ra n de t h a n o li ns p r a yc o o l i n g a tt h e s a i l et i m e ，i nac l o s e de x p e r i m e n t a ls y s t e m ，u s i n ge t h a n o la sw o r k i n gf l u i d s ，w es t u d yt h e e f f e c to ft h ef l o wo fc i r c u l a t i n gc o o l i n gw a t e r ( 3 ) t h ee f r e c to fm i c r o - g r o o v es u r f a c eo nt h es p r a yc o o l i n g w ec h a n g et h es m o o t hs u r f a c ei n t om i c r o - g r o o v es u r f a c e ，u s i n ge t h a n o la sw o r k i n gf l u i d ， w es t u d yt h ec u r v eo fc o o l i n ga b i l i t ya n ds t a r t - u pp e r f o r m a n c e ( 4 ) t h e o r y t h r o u g ht h ea n a l y s i so fal a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t a ld a t a , w ec o m p a r ean u m b e ro f f a c t o r so nt h ep e r f o r m a n c eo fs p r a yc o o l i n ge x p e r i m e n t u n d e rd i f f e r e n te x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n s ，w et r yt ow o r ko u tt h ef i t t i n gf o r m u l aa n de x p l o r et h el a w a n d ，w eu s ef l u e n tt o m o d i f yt h ep r o c e s so fs p r a yc o o l i n g k e yw o r d s ：c l o s e ds p r a yc o o l i n gs y s t e m ；c o o l i n ga b i l i t yc u r v e ；s t a r t u pp e r f o r m a n c e ； s m o o t hs u r f a c e ；m i c r o g r o o v es u r f a c e 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论：。1 1 1 课题的背景及意义一1 1 2 现有高功率器件冷却技术1 1 2 1 池沸腾换热1 1 2 2 热管2 1 2 3 射流冲击2 1 2 4 微通道冷却技术2 1 2 5 喷雾冷却技术简介3 1 3 喷雾冷却的换热机理4 1 4 喷雾冷却的影响因素。4 1 4 1 液滴参数的影响4 1 4 2 流量对喷雾冷却换热效果的影响5 1 4 3 换热表明结构对喷雾冷却换热效果的影响5 1 4 4 冷却工质对喷雾冷却换热效果的影响5 1 4 5 喷嘴类型的影响一6 1 4 6 喷嘴倾斜角度的影响6 1 5 喷雾冷却技术的研究现状7 1 5 1 国外的喷雾冷却研究现状7 1 5 2 国内的喷雾冷却研究现状1 1 1 5 3 总结与分析1 2 1 6 本文的研究目的和主要研究内容1 2 1 6 1 本文的研究目的12 1 6 2 本文研究的主要内容1 2 第二章实验系统简介。1 4 2 1 实验系统1 4 2 2 实验步骤和实验方法15 2 3 实验中可能出现的问题和相应解决办法1 6 2 4 冷却工质有效体积流量的测量。18 第三章开放、封闭系统的实验研究1 9 3 1 水的冷却能力实验结果及分析1 9 3 1 1 开放式喷雾冷却系统1 9 3 1 2 封闭式喷雾冷却系统2 0 3 2 以水为工质的喷雾冷却系统的启动性能结果及分析2 4 3 2 1 开放式喷雾冷却系统的启动性能2 4 3 2 2 封闭式喷雾冷却系统的启动性能2 7 3 3 开放式喷雾冷却系统和封闭式喷雾冷却系统的对比3 0 3 3 1 冷却能力比较。3 0 3 3 2 启动性能比较3l 第四章不同工质对喷雾冷却性能的影响3 3 4 1 以无水乙醇为工质的喷雾冷却系统的冷却能力3 3 4 1 1 不同喷雾流量下的无水乙醇冷却能力曲线和分析3 3 4 1 2 不同喷嘴高度下无水乙醇的冷却能力曲线和分析3 5 4 2 以无水乙醇为工质的喷雾系统的启动性能分析3 7 4 2 1 变功率3 8 4 2 2 变压力3 9 4 2 3 变喷嘴高度4 0 4 3 水和无水乙醇按一定比例的混合工质的冷却能力研究4 2 4 4 循环水流量对喷雾冷却性能的影响4 3 4 4 1 循环冷却水流量对酒精冷却能力的影响和分析一4 4 4 4 2 循环冷却水流量对喷雾系统启动性能的影响和分析4 4 第五章微槽表面的喷雾系统性能研究4 6 5 1 无水乙醇的冷却能力4 6 5 2 封闭式喷雾系统的启动性能4 7 5 3 光滑加热面和微槽加热面的对比。4 8 5 3 1 冷却能力曲线对比4 8 5 3 2 启动性能对比5 0 第六章过冷状态下喷雾液滴撞击加热表面换热分析5 2 6 1 准则方程拟合5 2 6 2 数值模拟。5 8 6 2 1 控制方程5 8 6 2 2v o f 方法5 9 6 2 3 建模和计算结果6 l 结论与展望7 4 参考文献7 5 致j 射7 7 中国石油大学( 华东) 硕t 学位论文 1 1 课题的背景及意义 第一章绪论 随着当今科学技术的进步，在电子行业领域，高端技术总是向着小型化快速化方向 演变。尤其在降低散热量方面，不但要降低电子元件的规格，同时要增加其散热速度。 而电子行业的成功演变则和热处理技术的进步息息相关。各行业种常用的高功率电子器 件，包括绝缘栅双极晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管等，以及最典型的激光二 极管阵列和多芯片模块，它们能产生的废热高达1 5 0 0 w c m 2 。在固定的换热表面上，这 些元件的换热有一定的局限性，现今采用的高热流冷却技术必须促进其有效地组织换 热。在这一方面，传统的热控制技术( 比如单向对流换热、沸腾换热、流动沸腾换热) 它们的散热量是非常局限的。在本文中讨论的喷雾冷却技术，当使用氟化物作为冷却工 质进行工作时，热流密度可达1 0 0 w c m 2 ，而在严格的控制温度，使用低流量的水作为工 质时，热流密度能够达到1 0 0 0 w c m 2 。喷雾冷却技术已经成功的运用到航空航天领域， 并且在航天飞机的开式闪蒸汽发生系统中已经得到展示。另外，现阶段科研人员已经解 决了在封闭系统中清除多余液体和蒸汽等诸多问题，因此喷雾冷却现在已经成为各个领 域中最具吸引力的传热技术，可以实现高热流密度换热。 1 2 现有高功率器件冷却技术 1 2 1 池沸腾换热 池沸腾换热是一种被动冷却技术，控制将加热表面沉浸在冷却液中，热量传递给 冷却液之后会产生汽泡并且上浮，通过浮力的作用汽泡脱离加热表面带走热量。g a e r t n e r 在实验过程中观测到了充分的核态沸腾、汽泡列以及蘑菇形状的汽泡。研究认为实验 中发生相变所需要的热量是过热的液体层提供的，而那些支撑气泡的汽泡茎就分布在这 些层上。随着表面温度和汽化核点的增加，这些汽泡蘑菇会逐渐变大，在这种情况下潜 热转换机理开始占据换热的主导地位；y u 和m e s l e r 在高热流密度条件下进行实验，他 们认为热源表面的汽泡块下面存在液膜，而这层液膜起主要的换热作用；g s o n 等2 1 人 完整地模拟了汽泡合并过程，并且定量分析了汽泡合并对热源表面流场和温度场造成的 第一章绪论 影响，考虑沿竖直方向的单个核点气泡的合并，并且依据汽泡以及液体相变过程中的质 量、动量以及能量守恒来求解方程；a m u k h e r j e e 和vkd h i r 则在核态池沸腾实验中观 察到了两个汽泡在合并过程中的形状变化。 1 2 2 热管 热管是2 0 世纪6 0 年代发展起来的传热元件，具有极高的导热特性。它的结构简单， 管壳部分采用金属管制成，内壁贴附丝网状吸液芯，通过毛细力作用使工作液体在吸液 芯内移动而不受热管位置限制。工作前，将管壳两端封死，在封死前利用真空泵将管内 抽真空，放入适量的工作液。工作时，蒸发段的工作液被环绕在热管外的热流体所加热， 发生潜热蒸发过程，形成的蒸汽经绝热段流向冷凝段，而工作液蒸汽放出潜热，最终凝 结为液体。在换热过程中，蒸汽液化释放出来的潜热通过管壁传递给热管外面的冷流体， 由它们带走。同时，积聚在冷凝段吸液芯中的凝结液借助吸液芯毛细力的作用返回到加 热段进行再利用，进行吸热蒸发过程。通过源源不断的这种循环，工作液把热量从加热 段传递到冷凝段。由于吸液芯的存在，热管具有突出的优点：蒸发段与冷凝段的位置没 有任何限制，实现了几乎没有温差的导热。此外，热管还有两个重要的特性：可以在较 大的范围内调整蒸发段与冷凝段的热流密度。 1 2 3 射流冲击 射流冲击是指冷却液通过喷嘴孔以极高的速度直接喷射到换热表面对其进行冷却 的一种换热工作方式。但是由于它产生的高速流体会撞击到其表面，可能对其造成损坏， 因此它具有很大的局限性，在一些脆弱的加热表面工作时不太适用射流冲击。s a t i s h g k a n d l i k a 等1 认为单个喷嘴射流冲击的冷却效果较差，因此建议采用多射流方式进行 换热冷却。虽然多射流方式会导致流体从不同的喷嘴射出，然而在出口处它们会混合在 一起，这就要求采用多喷嘴射流时，要着重于出口孔洞的设计。 1 2 4 微通道冷却技术 微通道热沉的工作概念最早于1 9 8 1 年由t u c k e r m a n 和p e a c e 提出，国内外学者对 微通道换热器的流动及换热特性分别进行了研究，但是他们的研究结果各不相同，甚至 存在矛盾。p f h a l e r 、m a l aa n dl i 、p a p a u t s k y 、r e 、j u m e m o 等“1 学者认为在微通道结构 2 中国石油人学( 华东) 硕上学位论文 中，研究中造成流体的实验结果和经典理论相偏离的主要原因是表面粗糙度、温度、固 体表面附近的微循环；s p a r r o w 专门研究了圆形微通道内气体的滑移流动及其换热特性， 并且给出了在考虑温度跳跃系数和滑移系数情况下的流体温度表达式，其研究发现微气 体的努塞尔数低于经典流体力学的理论计算值；a d a m s 等人进行了直径为7 6 0 9 m 至 1 0 9 0 9 m 微通道内以水为工质的换热实验，实验结果则表明努塞尔数高于经典理论计算 结果；q u 研究了水力直径为6 2 9 m 到1 6 9 9 m 微通道内水的换热特性，其实验数据表明 努塞尔数远低于经典理论的计算结果；h a r m s 等在宽2 5 1 岬、深1 0 0 0 1 a m 的矩形微通道 内进行水的换热实验，他所测得的实验结果努塞尔数与经典理论的计算结果一致。 1 2 5 喷雾冷却技术简介 喷雾冷却技术是一种相变冷却技术，它的换热机理相当复杂，包括强制对流换热、 表面蒸发换热、核化沸腾换热以及二次成核过程。其中，当工作温度低于液体饱和温度 时，强制对流换热起着极其重要的作用；表面蒸发机制在任何温度下都有效；而当流量 不大，加热表面液膜较薄时，表面蒸发过程则起到最主要的作用；当工作温度高于液体 饱和温度时，核化沸腾机制起着至关重要的作用；二成成核则是液体接近自由表面形成 气泡，气泡上发生表面分解行成新的小液滴，它们重新落到固液表面变成新的核点的现 象。 喷雾冷却技术的优点众多，它具有较大的传热系数、良好的温度均匀性、较小的过 热度、较高的临界热流密度和较低的循环流量等特点，基于这些特性，该技术在农工业、 临床医学、航空航天等领域有着巨大的应用。而随着微电子和激光技术、航空航天技术 的发展，喷雾冷却技术则得到了更广泛的发展空间。针对一些特殊的场合，比如锻压干 燥、消防灭火、燃气涡轮燃烧室等高温和高热流的冷却过程、核能工业中液体金属的热 交换处理系统等方面，喷雾冷却方法则具有不可替代的作用。近年来，人们更关注喷雾 冷却技术在电子设备方面的应用。p a i s 等5 1 人通过实验研究了喷雾冷却技术对超光滑表 面( 粗糙度 0 1 u r e ) 的冷却效果，实验结果表明：在该工况下，最大换热功率可以达到 1 2 0 0 w c m 2 。这就表明，在今后很长的一段时间内，喷雾冷却完全有能力在大功率高 密度电子器件散热的领域发挥更大的作用。 喷雾冷却过程的影响因素众多，其中冷却剂的物理化学性质、喷嘴自身结构尺寸、 喷嘴喷雾倾斜角度、喷嘴与加热面的距离、加热面的面积及表明特性、喷雾速度、液滴 大小等都会对系统性能产生影响。它的传热机理复杂，除了众多影响因素之外，更为复 3 第一章绪论 杂的是雾化液滴的各个参数并非相互独立，改变其中的一个参数都会引起其它参数的改 变，因此我们很难通过实验来分析研究单个参数在喷雾冷却过程中对换热系数的影响。 喷雾冷却是大量雾化液滴撞击在待冷却壁面的行为，因此，可以通过研究单个液滴撞击 热表面的流动和换热来分析单一参数对换热系数的影响。液滴撞击固体壁面后会很快变 形，铺展成薄液膜，铺展系数是研究喷雾效果的一个重要参数，最直接的影响是改变了 液滴在加热面上的展开面积，对传热状况有很大的影响。 1 3 喷雾冷却的换热机理 喷雾冷却的换热机理众多，包括液膜微对流换热过程、液膜蒸发换热过程和汽泡 相变换热过程，其中这三者是互相影响的。针对的换热机理不同，就使得研究人员的结 果有很大差别，如s h e d d 利用两层湍流层模型对液膜进行了实验研究，认为液膜的存在 是喷雾冷却的换热过程中起主要作用；h s i e h 在低质量流量下，以水作为冷却介质进行 喷雾冷却实验，在他的研究中，液膜的蒸发则成为了最主要的传热过程，同时他还指出 液膜蒸发的快慢是由润湿性所决定的；k i m 、l i n 和f a b b r i 等1 人进行了另一方面的研 究，他们认为气、液、固之间的对流换热才是主要的冷却机理，而液膜蒸发散去的热量 则是微乎其微的；p a u t s c h 等 1 人的研究则认为，在热源的边缘区域，工质存在着非常 剧烈的液膜蒸发和核沸腾现象，因此其最大换热系数要低于热源中心区域；一些研究者 却认为相变过程的存在增强了喷雾冷却的换热。虽然众说纷纭，但研究结果都认为液膜 越薄，系统的换热性能越好，研究中一般认为，应该控制液膜的厚度在2 0 0 9 m 以内。 1 4 喷雾冷却的影响因素 1 4 1 液滴参数的影响 在液滴参数对喷雾冷却换热效果的研究中，对喷雾液滴的具体参数进行精确测量 十分困难，科研人员现在经常使用光学方法测量然后取其平均值。 r u e y - h u n gc h e n f 踟等研究表明： 1 液滴粒子数密度和液滴速度对临界热流密度的影响显著。 2 实验结果表明：提高液滴撞击速度，导致喷雾冷却系统的临界热流密度和导热系 数都显著提高。 4 中国石油大学( 华东) 硕+ 学位论文 3 在同样工况下，高速稀疏喷雾的换热系数要比低速密集喷雾的换热效果要好。 1 4 2 流量对喷雾冷却换热效果的影响 众多实验研究表明，冷却工质的喷雾流量对喷雾冷却换热效果有着巨大的影响：工 质流量的增加，增强喷雾冷却换热效果。造成这种现象是因为在喷雾过程中有了更多的 液滴参与相变换热。 1 e s i l k 旧。等认为，当喷射流量增大时，对于相同几何尺寸的换热面积，会有更多 的液滴参与换热过程。 2 在m u d a w a r 等人研究中，发现大流量高密度喷射冷却会大大降低蒸发冷却效率， 同时会使单相与核态沸腾换热的过渡变的平缓。 1 4 3 换热表明结构对喷雾冷却换热效果的影响 对具有一定几何结构的换热表面进行喷雾冷却，换热效果要优于光滑加热表面， 实验中发现会大大强化换热效果。这是由于换热表面存在毛细微槽结构，液滴在毛细力 的作用下撞击到换热表面上分布更均匀，促进液滴更充分的参与换热过程。 1 s i l k 、h s i e h 等1 们研究表明，换热表明结构对喷雾冷却的冷却能力影响巨大， 工程应用中，改变换热表面的几何结构是增强喷雾冷却效果的最有效途径。 2 k i m 等妇研究表明，在热流密度q 低于1 0 k w m 2 的情况下，工质流量对喷雾过 程中的蒸发冷却几乎没有影响；而当热流密度较高时，对于光滑表面和微孔结构的表面， 换热效果都随着流量的增加而得到提高。 3 对于微槽增强喷雾换热效果，科研人员之间也存在着争议：m e s l e r 等人认为喷 雾换热效果增强是由于换热过程中气泡的过早破裂；p a i s 等则坚定认为二次核态沸腾只 有对于光滑换热表面时才起作用。 1 4 4 冷却工质对喷雾冷却换热效果的影响 一般喷雾采用的冷却工质包括蒸馏水、无水乙醇、f c 系列以及利用具有不同沸点、 不同换热特性的工质混合所得的混合工质。对于混合工质，在喷雾过程中，混合工质中 容易蒸发的成分被持续地喷射到薄液膜上，在液膜中蒸发形成核态沸腾点，从而动态的 增加核态沸腾点数密度，减弱不同成分界面处的质量传递，进一步增强换热效果。 第一章绪论 1 l i n “2 等以混合工质进行了喷雾冷却实验。其实验段为1 3 8 5 m m 1l m m 的光滑 加热表面，冷却工质采用甲醇和水的混合物。实验结果表明：混合工质的换热效果介于 纯水和纯甲醇的换热效果之间。 2 a n d r e a 等研究了介电液体( f c 7 2 ，f c 7 4 ，f c 4 0 等) 的混合工质的喷雾冷却的换热 效果，实验结果表明：这些纯工质混合得到的液体的喷雾冷却效果没有减弱，这与它们 的混合工质在池沸腾换热过程中的换热效果有很大的差别。 1 4 5 喷嘴类型的影响 喷雾冷却过程一般采用的普通喷嘴有两种：压力雾化型和气体协助雾化型。压力喷 雾是通过控制流体在高压的环境中，流体穿孔而产生喷雾；气体协助喷雾是高速的空气 流冲击液体，工质破碎形成雾滴进而喷雾。大部分科研人员的研究都认为气体协助喷雾 的换热效果优于压力喷雾，这是因为气体协助雾化方式产生的喷雾液滴颗粒更小，同时 认为在一个闭式系统中，从不导电的液体中分离气体是很难的。不同类型喷嘴对应不同 的喷雾模式，造成喷雾效果的不同包括雾滴的大小、雾滴的密度、雾滴的速度以及雾滴 的分布( 包括实心锥、空心锥、椭圆以及正方形) 等。e s t e s 和m u d a w a r “3 1 在使用p d p a 的一项研究中发现，系统的临界热流密度会随着雾滴颗粒的减小而提高，采用高密度喷 雾会取得更好的冷却效果，但是高密度喷雾必须保证喷雾的流量不断的喷射到加热面上 从而产生足够的液滴形成液膜以维持加热表面的湿润。在他们的研究中，形状稀疏的喷 雾的汽化效率较高，这是因为喷射的液滴以较低的频率撞击加热壁面，换热过程中难以 形成气化现象。体积流量和w e b e r 数对喷雾冷却的影响比液滴速度的影响大，这是因为 换热效果是大量液滴撞击壁面的累积效应而不是单个液滴瞬间产生的局部作用。 1 4 6 喷嘴倾斜角度的影响 许多研究员都对倾斜喷射进行了实验研究，得出的结论却不尽相同，甚至完全相反。 如s i l k ，h s i e h 等人研究认为喷射倾角对c h f 有着明显的影响，而l i ，v i s a r i a 等1 4 1 认 为喷射倾角对c h f 基本无影响，但他们都认为倾斜喷射会促使热源表面温度分布不均匀， 从而对换热造成影响。这主要是因为喷嘴倾斜喷射可以促进排出热源表面的停滞液体。 但是倾斜喷射中，喷嘴与热源法线之间存在一定的倾斜角度，液滴撞击热源表面的速率 会降低很多，导致更多的液滴以较大的速度横掠换热表面，对喷雾的换热效果产生影响。 6 中国石油人学( 华东) 硕上学位论文 s h e d d 和p a u t s c h 采用倾斜喷射来促进热源表面的液体流动，实验结果证明换热强度与 倾斜方向无关；m u d a w a r 和e s t e s 采用圆形喷嘴，在一定的流量下进行实验，发现热流 和喷雾锥角以及喷嘴距离热源表面高度成函数关系。e s t e s 以f c 一7 2 和f c 一8 7 作为冷 却工质，发现c h f 和热源表面冷却液体积流量德分布具有函数关系；s c h w a r z k o p f 等1 个雾化喷嘴研究喷射倾角对喷雾冷却效果造成的影响，加热表面由多个具有加热模块的 热测试芯片构成，系统中加入一个温度传感器，控制热源表面方向竖直向下，控制冷却 液向上喷射到热源表面，改变喷射倾角从0 0 到6 0 0 变化。在倾斜过程中，喷嘴距离热源 表面高度1 4 c m 固定不变，冷却工质流体为p f 5 0 6 0 ，喷雾压力调节为1 0 1k p a ，实验发 现当喷射倾角在o o - - 4 0 0 之间变化时，系统c h f 大约为6 3 w c m2 ，而当喷射角度大于4 0 0 时，热流迅速降低。 1 5 喷雾冷却技术的研究现状 近年来，世界各国学者对喷雾冷却进行了大量研究，但其复杂换热机理大大超出人 们的预料。喷雾冷却技术是一个应用先于理论研究的物理过程。虽然目前国内外对喷雾 冷却的研究十分活跃，但总体上来讲仍然处于起步阶段，未能从理论上揭示过程的本质， 因此不能很好的满足工业开发和设计的需求。喷雾冷却是一个极其复杂的过程，该过程 涉及到导热、对流、辐射三种基本的传热方式，在传热过程中受诸多因素的影响，目前 仍以实验研究为主要手段，模型研究和数值模拟为辅助手段。 1 5 1 国外的喷雾冷却研究现状 b o h u m i lh o r a c e k 等用可视化技术来测量多喷嘴喷雾冷却过程中固一液接触面以及 三相接触线的长度，调节喷嘴与热源表面的距离在7 m m 到1 7 m m 之间。实验发现减小 喷嘴与热源之间的距离会增加换热效果，同时相变换热与三相接触线的长度密切相关， 却与热源表面的湿润面积无关。 d a n i e le r i n i 等1 6 1 研究以f c 一7 2 为冷却工质，喷雾冷却时气泡的变化过程，为了 揭示气泡与撞击液滴的关系，实验过程中发现增加液滴的流量可以增j j h - 次核子的数 量，在给定的热流密度下进一步降低热源表面温度。同时由于核态沸腾和强迫对流的作 用，增强了换热表面的平均换热系数；研究发现增加液滴流量会对气泡的生长时间和生 命周期造成影响。 7 第一章绪论 s a t i s hg k a n d l i k a r 等研究薄液膜的蒸发和二次成核对壁面的过热度的影响，对比了 喷雾冷却和射流冲击，可以在较低的表面温度下带走更多的热量；同时还研究了质量流 量、表面粗糙度以及过冷度对喷雾冷却效果的影响。研究发现随着表面粗糙度和质量流 量的增大，可增加热流密度。但是较高的入口过冷度会抑制热流，同时过冷度可以降低 表面温度。 j o h nm k u h l m a n n 7 1 等对喷雾冷却换热性能的影响冈素进行了研究，主要考虑库伦力 的影响，结果表明只有在液膜出现沸腾的状况下，两个库仑力电极的存在提高了喷雾冷 却的换热效果，增强幅度达到5 1 5 。 g a r i m e l l a 和r i c e 以f c 7 2 为冷却工质，研究了在受限的空间和自由空间的浸没射 流的换热系数分布。实验中出现了两个最大值，分别在滞流区和喷射半径处。对于局部 换热而言，喷射冷却是一种很好的方法。但是在芯片冷却领域，这种方法存在局限。由 于需要对其表面温度进行控制，这时需要采用多喷嘴射流。而多喷嘴会相互干扰射流， 所以还要研究喷嘴的布置。 t i l t o n 等人对一个高热流多芯片模块进行了实验研究，采用f c 7 2 和f c 8 7 作为冷却 工质，实验的加热面为6 4 5i t l n2 ，喷射流量为1 3 6 6 m l m i n 实现了1 4 4w c m 2 热流的换热， 他们发现控制工质流量为高质量流量时可以获得较高的换热量。 l a n c h a ol i n n 明等人对表面积很大，热流密度很高的热源进行冷却，采用两项闭环式 冷却方式。采用磁性齿轮泵和一个喷射单元驱动控制冷却工质的循环，工况良好时喷嘴 的压降可以增j j h 至u0 7 b a r ，喷雾冷却的c h f 得到提升。实验可以阻止非冷凝气体进入磁 性齿轮泵对环流动进行干扰。实验中采用4 8 个微型喷嘴组成的喷嘴阵列，热源表面积 达到了1 9 3 c m2 ，冷却流体采用f c 一7 2 和水。 a n a b em a r c o s 等在低系统压力下进行实验研究，对液体的沸点进行调节控制热源的 表面温度。实验中热源表面尺寸为l c m x l c m ，系统压力可调范围o 0 1 5 l b a r ，采用水 作为冷却工质。实验发现，控制系统压力为0 0 1 5 b a r 时，热流密度达到了3 8 0w c m2 ， 调节入口水温为l lo c 时，热源表面温度达到5 4o c ，而换热系数则1 0 0 0 0 0w c m2 k ； 而将同样的工况在标准大气压条件下，进行实验，控制相同的热流密度和入口水温，热 源表面温度会进一步提高。 c a d e re ta l i 例在2 0 0 4 年发表过，采用喷雾冷却技术对晶片进行降温处理，可以减少 晶体管的电流外泄，减少功耗并且保证晶片更好的稳定性。研究利用双紧凑型p c i 计算 机进行检测，表明如果要将晶片的温度降低3 3o c ，喷雾冷却技术相比与传统的空冷技 术，可以节省约3 5 的能量。喷雾冷却技术现在被用来冷却c r a yx - 1 计算机，而且未来 8 中国石油人学( 华东) 硕上学位论文 会作为冷却激光二极管阵列、未来的基地激光器以及基地雷达的冷却技术。 喷雾冷却工程的创始人之一户田( 1 9 7 2 ) ，研究一个与薄液膜表面沉积高温换热相 似的现象。喷雾冷却过程通过带有单孔的高压射流喷嘴产生。采用水作为工作流体。控 制喷嘴到加热器距离为1 0 c m 。通过喷嘴的质量流量的范围为4 0k g c m 2 - 1 5 0k g c m 2 。利 用热电偶测量加热器的表面温度，分别对流量，速度，和液滴大小进行多方面的测量。 建立实验系统研究液滴撞击加热壁面形成液膜的换热现象。研究发现在液膜初步形成 期，热量通过传导膜传递，户田分别定义了三种不同的传热状况进行观察和描述。这三 种传热状况分别是低温状况，介于低温和高温之间的过渡温度状况，高温状况。在低温 时，液体在液体气体分界面蒸发，当蒸发的液体过量时液膜增厚，此时进行发生核沸腾 现象，这时对于传热的影响不是很大。而在高温时，液膜沸腾并伴随液膜干涸现象发生。 在过渡温度时，低温状况时的蒸发和高温状况时发生的薄膜的高温沸腾同时存在。 在户田所作的第二项研究( 1 9 7 3 年) 啪3 中，进一步进行喷雾冷却的研究。对于每个 热流密度状态所对应的薄膜形态都进行了定量研究。热流作为一种表示过热功能和薄膜 厚度的变量而被采用。热模型也被开发来应用于每个温度状态时的薄膜。两个加热器表 面由铜和不锈钢构成，以水和甘油为工作流体进行试验，两个加热器直径都是3 0 m m 。 液滴速度被闪光灯拍摄以便进行定量测量，进一步研究传热机制。喷射液滴被认为是一 个统计组数据，按照不同直径大小符合高斯分布。测定人所提出的主要猜测是，热量最 初转移通过雾滴传导。研究者引进了临界液膜厚度这一概念，虽然薄膜厚度早在霍尔沃 森的成果中就进行了讨论。1 9 9 4 年，一个为研究蒸气层和液膜厚度的完整的分析模型被 开发出来。三种温度状况中对应的每一个的理论时间和平均热流密度之间的关系也被分 析出来。该理论模型与通过莱登弗罗斯特用水做介质所得到的实验数据相吻合。 g h o d b a n e 和霍尔曼( 1 9 9 1 ) 进行的对垂直加热器表面( 1 5 2 4 c m x1 5 2 4 c m 和 7 6 2 c m x7 6 2 c m ) 喷洒液滴的喷雾冷却传热进行研究。过冷氟利昂一1 1 3 被用来作为工 作流体。喷雾喷嘴具有三种不同的孔体积( 0 0 6 3 c m ，0 1 5 9 c m 和0 2 3 8 c m ) 。实验中采 用锥圆形和方形轨迹喷嘴。喷嘴的流量各有不同，介于5 0 m l s 和1 2 6 m l s 。质量流量， 雾滴速度，雾滴直径，和喷嘴到加热器表面的距离视为对热流密度的影响因素而被分别 测量记录。 g h o d b a n e 和霍尔曼( 1 9 9 1 ) 作出的相关的参数具有很高的准确性，但是在液滴速 度和直径尺寸方面有限制，仅仅适用于液滴速度与直径尺寸相差不大的时候使用。对于 液滴速度和直径的适当范围分别为5 0 m s 至2 8 0 m s 以及2 1 0 u m 至9 8 0 u m 。霍尔曼和肯 9 第一章绪论 德尔( 1 9 9 3 年) 重新进行了由g h o d b a