微槽道热管阵列散热器的传热性能实验研究

本文介绍了平板微热管阵列散热的工作原理,制作了U型微槽道热管阵列散热器,通过与无微槽道热管阵列散热器传热性能的实验对比,在平板微热管阵列、与水平面夹角为45°的微槽道热管阵列和U型微槽道热管阵列热通量及均温性的测试基础上,得到在蒸发段温度≤58℃时,U型平板微槽道热管具有良好的传热性能,在热流密度≥72 W/cm~2的情况下,弯折角度越小,传热性能越好。实验表明:U型微槽道平板热管阵列具有良好的均温性、热响应性及传热性能;微槽道能强化热管阵列的传热效果;在一定热流密度下,弯折角度越小,传热性能越好。     

影响热虹吸管运行性能的参数分析

依据热力学第二定律,在分析热管运行过程的基础上,建立了热管工质循环过程的T-S熵分析模型,对热管稳态运行时的几何参数和工质流体热物性参数进行分析,推导得出了热管设计和成功运行的基本条件,热管的结构参数组必须大于工质的热物性参数和封装材料组,二者相容才能建立热管的热力循环。用试验结果验证了此结论。所推导的方程对于一定结构的热管提供了一个设计和运行的指导准则,并且与传热率无关,不管热流多大热管结构参数必须和材料相容。     

平板热管在毛细极限下的传热能力研究

建立了多孔毛细芯结构的平板热管在冷凝段不发生堵塞的情况下流动和传热的理论模型,分析了热管在毛细限下的最大传热量和热阻的变化.结果表明,丝网目数的增加和工作温度的升高会增大热管的传热能力,热管工质为水时的传热性能优于工质为丙酮和乙醇时的情况.     

基于热质理论的广义热弹性动力学模型

具有微尺度传热特征的超常传热过程中,热流矢与温度梯度之间存在延迟效应,且热流的运动受到空间效应的影响.基于热质概念的普适导热定律,结合Clausius不等式和Helmholtz自由能公式,构建了计及热流矢和温度对时间和空间惯性效应的广义热弹性动力学模型,推导了各向同性材料超常传热行为的热弹性控制方程组.通过与已有广义热弹性动力学模型进行对比分析可得,当热流密度不大的条件下,热流矢与温度对空间的惯性效应可忽略时,基于热质概念的广义热弹性模型可分别退化为L-S,G-L和G-N的模型;对于尺度微观、稳态导热条件时,热流矢与温度对空间的惯性效应不可忽略,此时导热系数将受到热质运动惯性效应的影响,利用所建模型可揭示稳态导热时呈现的非傅里叶现象,并可避免基于已有广义模型得到的导热系数随结构特征尺寸变化的非物理现象.     

毛细相变回路热力学和水动力学分析

基于质量守恒、能量守恒方程,耦合环路热管各关键节点处压力、温度及传热传质关系,通过计算冷凝器中汽液界面位置,将环路热管内压力损失分为蒸汽侧压损和液相侧压损,并构建了从局部到整体的稳态运行数学物理模型,重点分析了冷凝界面位置和蒸发器热泄漏对环路热管稳态运行的影响规律。发现,低热流密度下,冷凝界面越靠近蒸汽出口越有利于提高环路热管的传热性能,但随着热流密度增加,冷凝位置对环路热管稳态性能的影响程度越来越小;抑制热泄漏或增加流入补偿室内的冷量,均可增大毛细芯两侧温度梯度,降低运行温度,进而提高环路热管的传热性能。     

热流密度及充灌率对板式蒸发器环路热管运行特性影响的实验研究

本文实验研究了不同热流密度对板式蒸发器环路热管系统运行特性的影响,同时研究了充灌率对蒸发器上盖板温度及系统热阻的影响。结果表明:此板式蒸发器环路热管系统在0.2～1 W/cm~2热流密度范围内均可稳定运行,蒸发器整体温度随着热流密度的增加而升高,热阻随热流密度的增加而降低;实验条件下,充灌率为55%时,系统蒸发器上盖板温度及热阻达到最低值,此时系统的传热能力达到最强,系统的最优充灌率为55%。     

倾斜角度对平板热管性能影响的实验研究

本文设计并制作了一种具有深微槽道结构的铜-水平板热管,系统地研究了放置方式对其传热性能的影响。实验测试了不同热流密度、不同倾角下热管正常工作时的稳态温度分布和热阻。结果表明,热管热阻随倾斜角度单调增大。这是因为随着倾角的增加,重力与工质回流方向不一致,重力阻碍了工质的回流起到了作用,所以热管的均热性能下降,热阻增大。水平放置时,热管表现出最佳的工作性能和最小的热阻。     

微型平板热管试验特性研究

设计了一套微型微槽道平板热管并进行了散热特性试验。试验表明:该结构热管在竖直、水平和倒立方向,其传热效果基本一致,均能实现有效散热;在小热流密度下,铜板与平板热管散热效果差异较小;当热流密度大于50W/cm2时,工作温度差异达到14℃,该温度随着热流密度增大显著提升,直至铜板不能工作;可见,在高热流密度下采用平板热管是很有必要的。     

热泄漏对平板型环路热管传热特性的影响

环路热管由于其出色的传热性能,正在成为高热流密度电子芯片散热的前沿技术。本文制作了一种以铜为外壳、水为工质的大功率平板式环路热管,并研究了热泄漏对环路热管传热特性的影响。通过降低毛细结构的等效热导可以有效降低热泄漏,使环路热管有更好的传热性能。结果显示,本文所制环路热管在传达距离为80 cm的时候,最大功率可达150 W以上,此时热阻约为0.08℃/W。最低启动功率为2 W,不存在启动困难的问题。     

补偿腔支路对环路热管传热性能影响的实验研究

在环路热管系统工作中,存在因补偿腔温度过高而造成的蒸发器烧干现象。在常规环路热管系统中设计了补偿腔支路,以带走热源向补偿腔传递的径向热量,并对设计的环路热管系统进行实验测试,分析补偿腔支路对环路热管传热特性的影响。实验结果表明:补偿腔支路开启后,在热流密度14 W/cm²时,系统稳定启动所需时间从4 min减少到3 min,表明系统稳定启动所需时间减小,有利于快速启动;在热流密度18 W/cm²下,对应的壁面温度从88.2℃降至85.4℃,系统热阻从0.56 K/W减小到了0.49 K/W,表明系统所能承受的最大热流密度更大,系统热阻也更低,因此系统的传热性能更好。     

工质热物性对脉动热管运行性能的影响

工质热物性显著影响脉动热管的流动与传热特性。本文通过理论计算及实验研究,定性分析了工质热物性对临界直径、毛细滞后阻力、启动运行及传热极限等方面的影响。研究表明,为保证脉动热管的运行性能,在设计阶段应综合考虑工质、管材及管径大小等因素。首先,根据使用场合的热流密度及运行温度高低合理选取工质种类;然后,选用合适的管壁材料,尽可能减少液塞与管壁之间前、后接触角不同引起的毛细滞后阻力;最后,确定管内直径范围。本文工作旨在为脉动热管的设计和选用提供一些依据和参考。     

高温吸热管内超临界CO2传热特性的数值模拟

研究超临界CO2在高温吸热管内的传热特性是将其应用于聚光太阳能热发电技术中的基础.本文对此进行了数值模拟研究,分析了流体温度、流动方向、系统压力、质量流率和热流密度对对流传热系数和Nu数的影响.结果表明:高温区(800—1050 K)的对流传热系数和Nu数受流动方向和系统压力的影响均很小,但都随着质量流率的增大以及热流密度的减小而明显增大;而随着流体温度的升高,对流传热系数近似线性增大,Nu数则近似线性减小.另外,本文研究发现在高温区可忽略浮升力对传热的影响,而由高热流密度引起的流动加速效应会明显恶化传热.最后,选取了八种管内超临界流体传热关联式与模拟结果进行对比,发现使用基于热物性修正的关联式对高温区传热数据预测的结果优于使用基于无量纲数修正的关联式得到的结果,且其中预测效果最优的关联式得到的计算结果与模拟结果之间的平均绝对相对偏差为8.1%.     

平板热管均热器与热沉的一体化设计

提出了平板热管均热器与热沉一体化设计的新思路,加工了交叉孔道式一体化平板热管并进行了实验研究。这种与热沉一体化设计的新型平板热管能有效降低导热热阻,完全消除了均热器与热沉间的接触热阻。对不同热流密度下热管工作时的稳态温度进行测试,比较了一体化平板热管和其他传统结构热管的热阻值,验证了该热管良好的性能。     

热漏对换热器(火积)耗散最小化的影响

建立了存在热漏的换热器的传热过程模型.假定热流体与冷流体间的传热以及冷流体与外界环境间的热漏均服从牛顿传热定律,在冷流体净传热量一定的条件下,应用最优控制理论导出了换热过程(火积)耗散最小时热流体温度和冷流体温度的最优构型,并将最优路径分别与热流体温度一定和热流率一定的传统传热策略进行了比较.研究结果对于实际换热器的优化设计和最优运行具有一定的理论指导意义.     

超临界压力CO2在非均匀加热竖直管内的换热特性研究

基于工程中存在的非均匀热流问题,针对四种非均匀热流条件下超临界压力CO₂在竖直管内的流动换热特性进行了数值研究,分析了热流密度、质量流量、浮力效应和排布方式对流动换热性能以及圆管表面温度分布的影响。超临界压力CO₂在非均匀热流条件下表现更为复杂的流动换热特性,轴向热流密度分布不均匀会使传热恶化,增大热流密度和减小雷诺数可以弱化传热恶化效应;热流分布不均时,Bo^*比■/Re2.7更能准确地预测浮力效应;在非均匀热流条件下,竖直向下流动比竖直向上流动表现出更好的传热性能,径向速度和湍流动能分布可以较好地解释传热恶化的产生机理。本文对于光热、锅炉等非均匀热流条件下的工程应用具有一定的指导意义。     

小热管强化传热的研究

对五种内径相近的小热管在不同工怍温度(Tv)、热流密度(qe)及倾角(θ)下的传热性能进行了实验研究。五 种热管带有不同吸液芯结构:微肋、丝网芯、加网芯微肋、金属粉末烧结芯及光滑表面。获得了各热管的蒸发换热系数和 冷凝换热系数随(Tv)、(qe)及(θ)等的变化规律,讨论了吸液芯结构等对热管蒸发及冷凝换热系数的影响。     

高热流密度激光作用下含湿多孔材料的传热传质分析

建立了快速高热流密度激光作用下含湿多孔材料传热传质数学模型,并采用恰当的数值处理方法进行了数值计算.结果表明,快速高热流密度激光作用下含湿多孔材料的传热传质具有经典热质传递理论难以解释的超常效应-非傅立叶与非费克效应,且非费克效应比非傅立叶效应更明显,较高含湿量的材料在高热流密度激光作用下的非费克效应应予以足够重视.     

陶瓷微通道内的传热和压降特性

本文对一种新型陶瓷微通道换热器的传热与流动阻力特性进行了实验研究。实验工质分别为3M公司的HFE-7100和水。对于HFE7100流体,在传热面温度为40℃时热流密度可达10W/cm~2;对于水,传热面温度为35℃时热流密度可达约13W/cm~2。流动阻力特性实验结果表明,无论对于水还是HFE7100流体,在本实验范围内压降小于4.8kPa。     

热质的运动与传递-微尺度导热中的热质动能效应

基于热质(热量的当量动质量)的概念,通过建立和分析热质的运动方程得到了反映热质动能变化的稳态导热微分方程,表明Fourier导热定律只有在热质的动能变化相对热质势能变化很小而可以忽略时才成立;在高热流密度和低温的情况下热质的动能变化不可忽略,这种动能效应表现为热流密度和温度梯度不再成线性关系.动能效应也导致Fourier导热定律不能通过热流和温度梯度准确地获得物体的导热系数,本文基于热质运动方程给出了导热系数动能效应的修正式.最后针对高热流密度和低温一维稳态导热进行了分子动力学模拟验证.     

小角度下自湿润流体重力热管传热特性

本文实验研究了工质分别为水和自湿润流体(质量分数5%正丁醇水溶液)的两种重力热管在微小倾斜角度下的传热特性,对比两种热管的传热性能以探究自湿润流体在小角度下对热管性能的影响。实验所采用的各倾角分别为0°,1°,3°,5°,7°和10°。实验结果表明:在倾角为0°时,自湿润流体重力热管相比水重力热管热阻更小、传热极限更大,因此具有更好的传热性能;在其他小的倾角下,自湿润流体同样显著提高了重力热管的传热极限,但也使热阻有所增大。