微通道内稳定流动沸腾的换热特性及沸腾不稳定性研究

摘要

微电子制造技术的飞速发展极大推动了科学技术朝微型化方向迈进。近年来,随着微制动器、微电子芯片热沉和微反应器等一系列芯片微系统的相继出现,微尺度下的流体流动与传热问题越来越受到微制造业的重视。本研究论文以水为工质,对微通道内的沸腾不稳定性和稳定流动沸腾的换热特性进行了实验研究和理论分析,以期丰富微尺度换热领域的研究内容。
　　 本文采用标准的微电子机械系统(MEMS)加工工艺,设计并加工了两大类微通道热沉。第一类包括三种不同入口/出口结构的硅基平行微通道热沉；第二类包括两种不同入口/出口结构和加热方式的玻璃基单根微通道热沉。建立了一整套适用于研究微通道内单相/两相流动换热特性的实验系统。主要研究内容包括:
　　 1.硅基平行微通道内沸腾不稳定性研究。(1)提出划分微通道内稳定流动沸腾区和不稳定流动沸腾区的参数为出口热平衡干度,并用该参数比较了不同入口/出口结构的微通道热沉内的沸腾不稳定性。(2)发现不同入口/出口的微通道热沉设计方式会直接影响流动沸腾不稳定性:水平入口/出口设计方式能降低不稳定性沸腾导致的温度和压力波动振幅,减小微通道中的流动沸腾不稳定性；通道入口加工限制装置的设计方式能抑制汽泡往上游膨胀(返流现象)和通道问的相互作用,得到稳定的流动沸腾,推迟因温度大幅度波动导致的临界热流出现。(3)研究了微通道内稳定沸腾换热系数,发现微通道内局部沸腾换热系数的峰值一般出现在低干度的泡状流区域,明显小于常规通道内换热系数峰值出现的范围。
　　 2.可忽略轴向导热的单根微通道内流动换热特性研究。(1)实验和模拟结果表明Navier-Stokcs方程和能量方程仍然适用于研究水力直径为155μm的微通道内单相强制对流换热。(2)在水平入口/出口的单根微通道热沉内,仍然存在不稳定沸腾模式,并且伴有长周期、同相位的温度和压力波动。可以用出口热平衡干度来划分稳定沸腾区和不稳定沸腾区。(3)考虑到通道截面形状和局部干涸现象的影响,推导出了预测矩形截面微通道内饱和流动沸腾换热系数的四区模型。该模型成功预测了矩形截面微通道内的沸腾换热系数随干度先增加后减小的趋势,预测值的平均绝对误差为16.2％。
　　 3.微通道内微汽泡喷射沸腾现象研究。(1)在高热流密度和低入口水温下,微通道内出现了微汽泡喷射沸腾现象。微汽泡喷射沸腾具有强大的换热效果(在质量流率为883.8 kg/m2s和入口水温为20℃条件下,热流密度可以达到14.41 MW/m2),使加热器表面温度没有大幅度升高。因此针对高热流密度微电子芯片,微汽泡喷射沸腾是一种非常有效的冷却方式。(2)高入口水温会抑制微汽泡喷射沸腾的出现。当入口水温升至80℃时微通道内没有出现微汽泡喷射沸腾现象,汽泡没有湮灭成为微汽泡,而是继续增长,形成拉长的泡状/塞状流或者是返流。(3)从汽泡演变方式、汽化核心的来源和汽泡存在时间三个角度分别比较了微汽泡喷射沸腾和核态沸腾的异同之处。认为汽泡极其短暂的存在时间(小于0.5 ms)和更多的汽化核心来源是微汽泡喷射沸腾具有强大换热效果的主要因为。

目录

文摘

英文文摘

主要符号说明

第一章 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 微通道的定义

1.3 微通道内单相层流换热

1.4 微通道内饱和沸腾研究

1.4.1 沸腾沸腾不稳定现象及其抑制

1.4.2 饱和流动沸腾换热实验研究

1.5 微汽泡喷射沸腾的研究现状

1.6 本文的主要工作

第二章 微通道内单相/两相流动换热实验系统

2.1 实验流程

2.2 实验测试段

2.2.1 硅基平行微通道热沉及其测试段

2.2.2 玻璃基单根微通道热沉及其测试段

2.2.3 MEMS加工微通道热沉工艺介绍

2.3 测量方法和不确定度分析

2.3.1 测量方法

2.3.2 不确定度分析

2.4 本章小结

第三章 硅基平行微通道热沉内沸腾不稳定性研究

3.1 实验数据处理

3.2 垂直入口/出口的微通道内沸腾特性

3.2.1 稳定流动沸腾模式

3.2.2 不稳定流动沸腾模式

3.2.3 影响沸腾不稳定性的参数

3.3 水平入口/出口的微通道内沸腾特性

3.4 入口有限制装置的微通道内沸腾特性

3.4.1 稳定沸腾流型

3.4.2 微通道内局部换热系数

3.5 本章小结

第四章 忽略轴向导热的单微通道热沉内流动换热特性研究

4.1 实验数据处理

4.2 微通道内单相对流换热特性研究

4.2.1 单相对流换热数值模拟

4.2.2 模拟结果与实验比较

4.3 单根水平入口/出口的微通道内沸腾不稳定性

4.3.1 稳定流动沸腾

4.3.2 不稳定流动沸腾

4.3.3 稳定沸腾区与不稳定沸腾区的划分

4.3.4 玻璃基单通道与硅基平行通道内沸腾不稳定性的比较

4.4 矩形截面微通道内饱和流动沸腾换热系数的理论研究

4.4.1 三区模型简介

4.4.2 四区模型

4.4.3 用四区模型预测换沸腾热系数

4.5 本章小结

第五章 微通道内微汽泡喷射沸腾特性研究

5.1 实验参数

5.2 微通道内微汽泡喷射沸腾现象

5.2.1 单相换热与微汽泡喷射沸腾起始点

5.2.2 微汽泡喷射沸腾发展区和充分发展区

5.3 影响微汽泡喷射沸腾的因素

5.3.1 质量流率对微汽泡喷射沸腾的影响

5.3.2 过冷度对微汽泡喷射沸腾的影响

5.4 微汽泡喷射沸腾现象的两点说明

5.4.1 核态沸腾与微汽泡喷射沸腾的比较

5.4.2 常规通道与微通道内微汽泡喷射沸腾的比较

5.5 微汽泡喷射沸腾实验数据和经验关联式的比较

5.6 本章结论

第六章 总结

6.1 研究内容总结

6.1.1 微通道内单相对流换热特性研究

6.1.2 硅基平行微通道内流动沸腾不稳定性研究

6.1.3 单根微通道内沸腾换热特性研究

6.1.4 微通道内微汽泡喷射沸腾特性研究

6.2 研究的创新性

6.3 今后的研究方向

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文、申请专利与所获奖励