喷雾液膜流动理论及电子器件喷雾冷却实验研究

摘要

现有电子器件的热流密度越来越高，如何对芯片级、系统级的电子器件进行有效散热成为提高电子器件可靠性的一个重要因素。作为在电子器件换热领域最有希望取得突破的三项技术之一，喷雾冷却（Spray Cooling）技术正在受到越来越多的关注。当前的研究工作大多集中在实验研究方面，然而由于不同研究人员实验条件的不同使得各种研究结论有所差异甚至相互矛盾，有关喷雾冷却的理论研究相对更加缺乏，因此针对电子器件的喷雾冷却技术的理论和实验研究都尚有广阔的发展空间。 基于电子器件喷雾冷却技术的研究现状和研究热点，本文对喷雾在热源表面形成的冲击液膜流动及厚度模型、基于CHF（Critical Heat Flux，临界热流密度）准则的倾斜喷射喷嘴轨迹、喷嘴距热源换热最优时的高度、倾斜喷射实验以及针对动态喷射的电磁驱动器件的吸合问题等方面进行了研究： 针对圆锥形轴对称喷雾冷却系统，在对喷雾区域进行划分的基础上，引入滑流边界条件，在提出圆锥状喷雾假设的基础上，建立了喷雾区域雾滴密度连续介质等效模型。 基于分离变量法求解液膜流动动力学微分方程组，寻找到合理的动量方程组相容关系，应用数学物理方法求得液膜内速度场的分离变量级数解。在假设液膜出口颈缩截断边界条件的基础上，通过联立其它边界条件，求得待定系数，同时得到了液膜流动场和液膜厚度的求解方程，实现了液膜边界未知的薄膜流动问题求解。仿真结果表明：①当喷雾速率均匀时，液膜为平膜。当速率非均匀时，液膜可以出现中心凸起和中心下凹两种情况，具体形状与液膜表面喷雾的速率分布有关；②靠近热源表面的薄层内的液膜流速较大，而其余大部分液膜流速较慢；使液膜减薄的方法有两种：增加喷雾速度和降低喷雾密度；③速度滑移对液膜厚度及流场的影响很小，可以忽略。 通过分析确定了喷雾冷却中倾斜喷射合理的研究前提：CHF准则，即在保证冷却剂利用率最高的前提下，最大喷雾冲击区域对应最大的CHF值。分析了满足CHF准则时不同锥角的圆锥形和棱锥形喷嘴分别对圆形和方形热源倾斜喷射时喷嘴源点所处的轨迹曲线，以及倾斜喷射时喷雾冲击面积随喷射倾角的变化情况。在分析方形喷嘴倾斜喷射时，将喷嘴的倾斜旋转情况分为轴型旋转和对角线型旋转两类。结果表明，就倾斜喷射喷雾覆盖面积而言，对圆形热源进行喷射和/或倾斜喷射，最好选用圆锥形喷嘴；对方形热源进行喷射时，最好选用合适的方形喷嘴，并且当方形喷嘴倾斜喷射时选择轴型倾斜喷射（倾角不太大时）。 结合Visaria等人的实验数据，在满足CHF准则的前提下，从理论上分析了圆锥形喷嘴对方形热源倾斜喷射时喷射倾角对CHF的影响。分析结果表明：喷射倾角对CHF影响不大，CHF随喷射倾角增大而稍有增大。 购买并加工制作了实验所需设备或器件（喷嘴、热源、压力泵和各种测量仪器等），搭建了实验平台。应用相关理论，考虑拖曳力的影响，对所建立的实验系统进行了特性评估，包括雾滴的出口速率和直径、雾滴在运动过程中的速率、直径和温度的变化情况等，进而对喷射到热源表面的雾滴特性做出预测。 应用所搭建的实验系统，对所选用的三个DANFOSS喷嘴入出口压差与泵压的关系进行了测定，结果表明两者基本呈线性关系；对各喷嘴的喷雾特性进行测定，得出喷嘴总流量与泵压的关系为：喷嘴的总流量约与喷嘴入出口两端压差的开平方成正比；对喷嘴的中心流量密度进行测定，寻找到各喷嘴喷雾相对最均匀的工作压力。 应用不同DANFOSS喷嘴对水平热源进行垂直喷射，在变换喷嘴距热源表面高度的前提下，研究最优换热性能出现在何种情况（最优高度），得出H准则：当喷雾形成的液膜的圆形外推区域正好与热源边缘相切时，系统换热性能达到最佳。 选择两个喷嘴对方形热源和圆形热源进行倾斜喷射实验，结果认为倾斜喷射的研究重点应该是解决由此引起的表面温度梯度增大问题（并且喷射倾角最好不要太大），而对系统换热性能的影响是次要问题。 根据间歇喷射的概念及其研究意义，提出动态喷射的概念，确定了电磁驱动作为驱动喷嘴实现动态喷射的驱动方式。阐述了电磁驱动器件中吸合特性的概念、研究现状及其分析方法。主要针对两种不同结构形式的电磁驱动器件，在磁动势控制模型基础上，分析了它们的准静态、阶跃磁动势和调制阶跃磁动势驱动的吸合特性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2电子器件冷却技术及发展趋势

1.3喷雾及喷雾冷却技术

1.3.1喷雾及雾滴雾化理论

1.3.2雾化性能评定参数

1.3.3喷雾冷却技术

1.4电子器件喷雾冷却技术综述

1.4.1电子器件喷雾冷却技术研究现状

1.4.2喷雾冷却传热机理及影响因素综述

1.4.3喷雾冷却研究热点及存在的关键问题

1.5本课题研究的目的和意义

1.6本文的主要内容

参考文献

第二章喷雾冷却理论基础

2.1喷雾区域划分及喷雾密度连续等效

2.1.1喷雾区域划分

2.1.2圆锥状喷雾假设与喷雾密度的连续介质等效

2.2轴对称圆喷嘴的喷射液膜流动控制方程

2.3微流体的速度滑移边界条件

2.4斯特姆-刘维本征值问题与贝塞尔函数

2.5本章小结

参考文献

第三章无沸腾喷雾冷却液膜流动建模及仿真

3.1冲击液膜流动的假定及其分离变量解

3.1.1液膜流动动力学微分方程组的分离变量解法

3.1.2　Ru(r)和Rw(r)求解

3.1.3Zu(z)和Zw(z)求解

3.2流场边界条件

3.2.1液膜出口颈缩处截断边界条件

3.2.2剪应力边界条件

3.2.3固液界面法向速度和切向速度边界条件

3.2.4压力求解的相容性

3.2.5冲击动量边界条件

3.2.6流量连续性条件

3.3薄膜厚度求解及仿真

3.3.1喷雾速率沿半径均匀分布

3.3.2喷雾速率沿半径线性分布

3.3.3喷雾速率沿半径呈对称抛物线分布

3.6本章小结

参考文献

第四章基于CHF准则的倾斜喷射理论研究

4.1倾斜喷射概念及其研究现状概述

4.1.1倾斜喷射概念

4.1.2倾斜喷射研究现状

4.2 CHF准则及其内涵

4.3满足CHF准则的圆形喷嘴倾斜喷射模型及喷嘴轨迹

4.3.1圆形热源情况

4.3.2方形热源情况

4.3.3倾斜喷射CHF模型及结果分析

4.4满足CHF准则的方形喷嘴倾斜喷射模型及喷嘴轨迹

4.4.1圆形热源情况

4.4.2方形热源情况

4.5本章小结

参考文献

第五章无沸腾喷雾冷却垂直喷射与倾斜喷射实验研究

5.1系统组成及实验原理

5.1.1喷嘴选择

5.1.2冷却剂选择

5.1.3系统组成

5.2相关理论及计算

5.2.1雾滴出口速率及直径

5.2.2雾滴运动过程中速率及直径变化情况

5.2.3雾滴运动过程中温度的变化

5.2.4换热有效性、喷雾效率和换热效率

5.3 H准则测定及倾斜喷射实验

5.3.1喷嘴特性测定

5.3.2 H准则测定及假设修正

5.3.3倾斜喷射换热性能试验研究

5.4本章小结

参考文献

第六章用于动态喷射的电磁驱动器研究

6.1动态喷射及其在喷雾冷却中的应用

6.1.1动态喷射概念

6.1.2动态喷射驱动方式

6.2吸合效应

6.2.1吸合效应概念

6.2.2吸合效应研究现状

6.2.3电磁驱动器件结构形式及吸合效应分析方法

6.3电磁驱动器准静态吸合特性分析

6.3.1平板式结构的准静态吸合特性分析

6.3.2旋转式结构的准静态吸合特性分析

6.3.3准静态吸合特性分析讨论

6.4电磁驱动器阶跃动态吸合特性分析

6.4.1阶跃磁动势和能量法

6.4.2平板式结构的动态吸合特性分析

6.4.3旋转式结构的动态吸合特性分析

6.5电磁驱动器调制阶跃动态吸合特性分析

6.5.1平板式结构的调制动态吸合特性分析

6.5.2旋转式结构的调制动态吸合特性分析

6.6本章小结

参考文献

第七章全文总结

7.1本文主要工作

7.2本文工作的主要创新点

7.3有待进一步研究的问题

致谢

攻读博士学位期间的研究成果

附录