单一/混合粒径烧结微通道流动沸腾特性研究

摘要

电子行业微型化发展，各领域微型化部件面临着严重的高热流密度散热问题，传统微通道的普通表面在气液两相流时，散热效果并不能满足现在微型器件的散热要求。因此，怎样研究出新型的表面结构来强化沸腾传热性能是一个亟待解决的科学技术问题。本文以去离子水为流动介质，对不同单一粒径和混合粒径烧结后的多孔微通道进行流动沸腾换热研究。研究铜粉的粒径大小、混合粒径参数、烧结底厚、入口水温、质量流率等对单一粒径/混合粒径多孔微通道换热性能和流动不稳定性的影响，通过对比分析单一粒径/混合粒径多孔微通道单相流与气液两相流时的换热特性，并对流动沸腾时的气液两相流进行了可视化深入地对气泡生成机理进行了研究。 实验结果表明：（1）单一粒径为50μm的多孔微通道的沸腾起始过热度OBN与30μm、90μm多孔微通道的沸腾起始过热度OBN点相近，但是其临界热流密度（CHF）高于其他两种样品为107.8W/cm2。在高热流密度状态下，对应同一热流密度时，粒径为50μm的多孔微通道的过热度低于30、90μm的多孔微通道，在高热流密度下的传热性能优于其他两种微通道。流体工质入口温度一定条件下，质量流率提高也提升了壁面临界热流密度（CHF）点。质量流率为213kg/（m2·s）的CHF点相对于71kg/（m2·s）的CHF点提升了1.2倍。质量流率较低时，多孔微通道产生很强的限制效应，抑制了核化过程，从而降低多孔壁面强化能力。 （2）增加多孔微通道的厚度粒径比可以提高多孔微通道的临界热流密度（CHF），这是由于底厚增加同时也增加了换热热阻，达到临界热流密度需要更高的加热功率。在高热流密度时，对应同一热流密度，粒径为30μm烧结底厚为400μm多孔微通道壁面过热度比烧结底厚为400μm低。而90μm多孔微通道却表现出相反的换热机制，这说明对于90μm多孔微通道增加厚度粒径比可以提高其换热性能，对于30μm多孔微通道增加厚底粒径比换热性能反而降低。 （3）在低热流密度时，三种质量流率下的压降曲线相近。这是由于同一多孔微通道，流道中的压降主要以摩擦压降、加速度压降综合作用相近。在高热流密度时，多孔壁面过热度提高，加速了多孔壁面气泡的生长。相对于低热流密度而言，气泡直径变大，气泡合并在微通道内部形成环状流，致使微通道内部的两相流的压降增大。 （4）低热流密度，单相流时，单一/混合粒径多孔微通道换热性能相近，混合粒径多孔微通道优势表现不明显。在高热流密度时，混合粒径多孔微通道以其较多的汽化核心的优势，展现出较高的换热性能。其换热系数高出单一微通道近1倍，对于临界CHF值，混合粒径微通道也明显高于单一粒径微通道。 （5）通过可视化研究，观察到混合粒径比单一粒径流道内部气泡数量更多，且在同一质量流率时，混合粒径多孔表面的气泡直径小于单一粒径，这是因为混合粒径多孔微通道由于多孔壁面孔穴数量多，气泡来不及生长被来流带走。并且在该实验条件下，低热流密度时，混合粒径多孔微通道多孔表面的气泡脱离频率比单一粒径多孔微通道高，有利于强化核态沸腾。 （6）通过可视化研究，混合粒径多孔微通道，在低热流密度下，混合粒径多孔微通道气泡生长速率低于单一粒径。在高热流密度时，混合粒径多孔微通道有利于降低壁面过热度，提高多孔微通道的临界热流密度，提高整了体换热性能。 本文研究表明：相对于单一粒径多孔微通道而言，混合粒径多孔微通道换热性能有明显的提高。并且混合多孔微通道可以有效抑制两相流压降不稳定性，在微型散热领域相对于单一粒径多孔微通道有着极佳的应用前景。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外发展现状

1.2.1普通微通道流动沸腾研究

1.2.2 多孔微通道流动沸腾研究

1.2.3 微通道两相流动不稳定性研究

1.2.4 微通道内流动沸腾可视化研究

1.3 本课题主要研究内容

第2章 单一/混合粒径多孔微通道实验系统

2.1单一/混合粒径多孔微通道实验系统

2.1.1流动换热实验平台

2.1.2实验系统工作原理

2.2实验测试段

2.3去离子水工质性质参数

2.4去离子水流动沸腾传热实验步骤

2.4.1 实验准备

2.4.2实验测试步骤

2.5多孔微通道流动沸腾换热实验加热装置

2.6 多孔微通道模具制备及烧结方式

2.6.1石墨磨具加工

2.6.2 多孔微通道烧结工艺

2.7多孔微通道结构参数

2.7.1多孔微通道的的孔隙率

2.7.2多孔微通道孔隙率测量方法

2.8 温度传感器标定

2.9 数据处理及不确定性分析

2.9.1多孔微通道热损失分析

2.9.2多孔微通道数据处理

2.9.3 不确定度分析

2.10 本章小结

第3章 单一粒径多孔微通道流动沸腾换热特性

3.1 单一粒径多孔微通道传热性能结果分析

3.1.1不同粒径参数对多孔微通道流动换热性能影响

3.1.2 质量流率对单一粒径多孔微通道流动换热性能影响

3.1.3 厚度粒径比对单一粒径多孔微通道流动换热性能影响

3.1.4 入口温度80℃对单一粒径多孔微通道流动换热性能影响

3.2 单一粒径多孔微通道压降不稳定性

3.2.1 不同流量对单一粒径多孔微通道流动不稳定性影响

3.2.2 烧结底厚对单一粒径多孔微通道流动不稳定性影响

3.2.3 不同粒径对单一粒径多孔微通道流动不稳定性影响

3.2.4 入口温度对单一粒径多孔微通道流动不稳定性影响

3.3本章小结

第4章 混合粒径多孔微通道流动沸腾换热特性

4.1混合粒径多孔微通道传热性能结果分析

4.1.1单一/混合粒径多孔微通道流动换热性能对比

4.1.2单一粒径掺混前后多孔微通道传热性能对比

4.1.3不同粒径混合对多孔微通道流动换热性能影响

4.1.4 质量流率对混合粒径多孔微通道流动换热性能影响

4.1.5 烧结底厚对混合粒径多孔微通道流动换热性能影响

4.1.6 同一入口温度下单一/混合粒径多孔微通道流动换热性能对比

4.2 混合粒径多孔微通道压降不稳定性

4.2.1 质量流率对混合粒径多孔微通道流动不稳定性影响

4.2.2 烧结底厚对混合粒径多孔微通道流动不稳定性影响

4.2.3 不同粒径混合对多孔微通道流动不稳定性影响

4.2.4 入口温度对混合粒径多孔微通道流动不稳定性影响

4.3 本章小结

第5章 单一/混合粒径多孔微通道流动沸腾可视化研究

5.1多孔微通道流道内流型分析及拍摄系统

5.1.1 多孔微通道流道内两相流流型理论分析

5.1.2 多孔微通道两相流流型拍摄系统

5.2单一/混合多孔微通道流型转变过程

5.2.1 单一粒径50μm多孔微通道流道内部流型

5.2.2 混合粒径30-50μm混合多孔微通道流道内部流型

5.3质量流率对单一/混合多孔微通道流动影响

5.3.1 质量流率对单一粒径50μm多孔微通道流动影响

5.3.1 质量流率对混合粒径30-50μm多孔微通道流动影响

5.4热流密度对单一/混合多孔微通道影响

5.4.1 热流密度对单一粒径50μm多孔微通道流动影响

5.4.2 热流密度对混合粒径30-50μm多孔微通道流动影响

5.5本章小结

总结与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢