大冷量相变喷雾冷却的实验研究

相变喷雾冷却具有很高的换热效率和临界热流密度,为了获得大冷量相变喷雾冷却特性,文中设计并搭建了开式喷雾冷却性能实验台,采用R22制冷剂开展了大热流密度喷雾冷却特性的实验研究,详细研究了不同喷嘴入口压力、不同喷雾高度以及不同加热功率下R22的喷雾相变冷却效果。实验结果的分析表明:采用R22时最高热流密度可达到150W.cm-2,其对应的被冷却表面温度为-29.0℃,具有高热流密度及低冷却表面温度的显著特点;实验还从一定程度上揭示了喷嘴高度和喷嘴入口压力对R22喷雾冷却效果的影响。     

开式单喷嘴喷雾冷却均匀性实验研究

针对高热流密度激光介质高效散热与均匀冷却技术需求,设计并搭建了以去离子水为冷却工质的开式单喷嘴喷雾冷却实验平台,实验研究获得了不同热流密度（16～110 W/cm2）、不同冷却工质流量（200～300 mL/min）以及不同喷雾高度（15～25 mm）下单相喷雾冷却换热系数及其冷却均匀性效果。结果表明:该实验工况下,不同热流密度条件下喷雾高度及工质流量对于单相喷雾冷却换热效率及温度均匀性影响显著;喷雾高度15 mm、工质流量200 mL/min时获得最大对流换热系数为5.93 W/（cm2·K）;喷雾高度15 mm、工质流量250 mL/min时面积20 mm×20 mm的热源表面温度均匀性最佳可优于0.6 ℃。     

喷雾腔压力及喷嘴孔径对相变喷雾冷却性能的影响

为了满足大功率激光器件高热流密度及低表面温度的冷却需求,以R22为冷却工质,实验研究了在闭式系统中改变喷雾腔压力及喷嘴孔径对相变喷雾冷却中临界热流密度、冷却温度等冷却性能的影响,实验结果表明:在喷雾入口压力为0.8 MPa,喷雾高度为22 mm,入口温度为-3 ℃的实验条件下,当喷雾腔压力在0.2~0.4 MPa范围内变化时,随着喷雾腔压力的升高,临界热流密度值（CHF）先增大后减小,存在最优的临界热流密度,冷却壁面温度随着喷雾腔压力的升高而上升;当改变喷嘴孔径时,CHF存在最优值,过小及过大的孔径均会影响喷雾冷却性能;当喷嘴孔径为 0.4 mm,喷雾腔压力为0.34 MPa时, CHF值最高,为276.1 Wcm-2,其对应的被冷却表面温度为26.8 ℃,表面换热系数为 66 640 Wm-2K-1。     

喷淋高度对氨喷雾相变冷却特性的影响

喷雾相变冷却具有高热流密度的换热能力,本文通过建立喷雾相变冷却实验系统,以液氨为工质,使用单喷嘴,对冷却面为2.5 cm×1.2 cm的热沉进行了实验研究。结果表明:以氨为工质的喷雾相变冷却具有较高的换热能力;在热流密度达到400W/cm~2时,热沉表面的温度在15℃以下;在实验工况不变时,随喷嘴喷淋高度的降低,临界热流密度值(CHF)增大,最大换热系数可达95000 W/(m~2·K)。     

喷嘴类型对制冷剂喷雾雾化特性及表面传热的影响研究

制冷剂瞬态喷雾冷却是辅助激光手术治疗皮肤病的重要手段,然而当前临床应用中存在冷却量不足、表面冷却不均匀等问题。喷嘴类型对制冷剂喷雾雾化均匀性及表面换热效率有显著影响,本文对比研究了直管喷嘴、膨胀腔喷嘴及环流气体辅助两相喷嘴进行R404A喷雾冷却时的雾化特性及表面传热特性。膨胀腔喷嘴及两相喷嘴具有更高的喷雾中心浓度,较直管喷嘴具有更高的冷却效率,并提高了冷却保护的均匀性及冷却范围控制的精确性,有望成为改善临床治疗效果的替代喷嘴。     

微射流阵列冲击恒热流壁面换热数值模拟

微射流冲击作为一种高热流冷却技术,在大功率激光器、微电子芯片等微型高热流器件冷却方面有广阔应用前景.本文对微射流阵列冲击恒热流表面的换热情况进行数值模拟,详细分析了微射流阵列的换热特点,对比了射流孔顺排和叉排方式的冷却性能,得出射流入口雷诺数、射流孔间距、射流高度等因素对冷却特性的影响规律.     

R1336mzz闪蒸喷雾冷却传热特性的实验研究

闪蒸喷雾冷却是高热流密度电子器件有效的散热技术之一.本研究采用新型工质R1336mzz,建立了一个闭式闪蒸喷雾冷却实验平台,研究了喷雾流量和入口温度等影响因素对其传热特性的影响.实验结果表明,闪蒸喷雾冷却的传热性能随流量的增加先增大后减小,在流量为1.4 L/min时,获得最佳的传热性能,临界热流密度最高可达349 W...     

射流冲击泡沫金属强化电子器件冷却的实验研究

实验研究射流冲击泡沫金属的强化传热在电子器件冷却中的作用,分析热流密度、传热面与喷射气流温度差、喷射速度和喷嘴距泡沫金属上表面的高度等因素对传热特性的影响。在泡沫金属材质为铜,孔隙率为0.96,喷嘴宽度为0.5cm的情况下,喷嘴距泡沫金属上表面高度越低和喷射速度越大,泡沫金属的传热效果越明显,冷却效果越显著,并对实验数据,进行最小二乘法拟合,得到相应的拟合方程式。该文的分析结果,可为射流冲击泡沫金属强化传热技术的应用提供一定指导和借鉴。     

超临界甲烷及含氢甲烷在水平圆管内冷却换热的数值模拟

在超临界甲烷及含氢甲烷的冷却换热研究中,由于其截面上温度的不均匀性导致物性的不均匀,从而影响其流动及换热,这些现象在实验中很难发现,计算机数值模拟为此提供给了便利。文中应用标准k-ε湍流模型对超临界气体在水平圆管内的冷却传热进行了数值模拟,研究了质量通量、热流密度、入口压力以及氢气含量对传热系数的影响。结果表明,换热系数随质量通量的增大而增大,随热流密度变化不明显,随入口压力的增大而减小,氢气含量增大时对流换热系数的峰值往低温方向移动。     

高功率二极管激光器喷雾冷却实验研究

通过以液氨为制冷工质的开式喷雾冷却系统,在相同实验条件下研究了二极管激光器(DL)热沉喷雾表面分别为光滑表面、均匀密排微孔、深孔和多孔表面结构时的冷却效果,实验结果表明:在热流密度达到300W/cm2时,冷却表面温度均保持在28℃以内,适用于高热流密度下的DL热管理问题;喷雾表面均布微结构能显著强化喷雾冷却性能,当采用均匀密排多孔表面时,散热功率达511.5 W/cm2,对流传热系数为346 701.1W/(m2·℃),传热系数较光滑表面时提高了83.9%。     

阵列空气射流传热均匀性问题的数值研究

针对用于飞行器地面降温模拟试验的喷嘴阵列空气射流的传热均匀性问题,开展了数值模拟研究,用以指导相关降温试验装置的设计和试验方案的制定。首先,对降温试验装置建立了相关模型,通过对比发现SST k-ω湍流模型适用于阵列空气射流冷却模拟;进而分别研究了喷嘴数量、喷嘴高度等因素对阵列空气射流传热均匀性的影响规律,分析了其中的原因,并通过正交实验获得了研究范围内传热均匀性最优的参数匹配方案,数值计算出相应的表面对流传热系数h的变异系数为0.201;最后,研究了空气横流对阵列空气射流传热均匀性的影响。发现在最优结构参数下,通过添加挡板将最小横向流动形式改为中等横向流动形式后,试件表面的对流换热系数h变异系数减小了39.7%,试件局部表面传热均匀性得到了大幅的提高。     

基于金属薄膜热源的喷雾冷却可视化实验研究

本文采用铝箔片作为模拟热源,结合红外热成像技术,对喷雾冷却换热特性进行可视化研究。发现相对于普通实心喷嘴,所喷射液滴轨迹具有切向力的旋转轨迹的喷嘴所得到的换热能力更强,但是在热沉表面温度分布上,不能产生带有旋转切向力的液滴的喷嘴效果更好;随着薄膜热源的输入功率的升高,其喷雾冷却的换热系数随之减少。在质量流量及喷嘴压力较高条件下,这种趋势更为明显。     

带冲击射流的柱肋结构通道热沉的数值模拟研究

针对微通道冷却和冲击射流冷却方式的不足,设计了一种新的带冲击射流的柱肋结构的通道热沉,通过数值模拟的方式研究其流动特性和换热性能,模拟工况为加热热流密度为400W/cm~2,进口总压从3.5～12.5 kPa,出口静压为500 Pa,工质为水,热沉的材料为铜,进口温度为300 K。模拟计算结果表明,该结构具有较高的换热效果和良好的表面温度均匀性,在进口总压为3.5 kPa时,表面的最高温度不超过380 K,加热面最高温度和最低温度的差值约为12 K;而当进口总压为12.5 kPa时,最高温度和温差值分别为368 K和约5 K。在进口总压为3.5～12.5 kPa,所研究结构的热沉的流量为3.03～6.32 g/s。     

喷雾冷却表面瞬态热流密度计算方法研究

瞬态喷雾冷却过程中,表面热流密度是衡量表面冷却效果的重要参数。本文以环氧树脂为冷却基体,分别采用直接与间接两种方式测量冷却表面瞬态温度,通过构建新的传递函数,将Green函数法成功拓展至半无限大多层平板导热反问题的热流密度计算。对比分析了Duhamel定理、顺序函数法(SFSM)与Green函数法在不同测温方法下计算表面瞬态热流密度的有效性与适用性,结果表明,在表面温度直接测量方式下,三种方法均能较准确计算出表面瞬态热流密度。在间接测温方式下,Duhamel法忽略了测点和表面之间材料的散热影响,因此无法准确计算出瞬态表面热流密度,SFSM在温度快速变化阶段计算结果有一定失真,而利用Green函数法求解表面热流密度最为准确。     

喷雾参数对闪蒸冷却换热效果影响的数值研究

真空闪蒸冷却是利用液体工质在真空环境下迅速闪蒸吸热的特点来冷却加热表面的新型冷却方式,其充分利用工质潜热,散热能力强,在航天热控方面有广阔的应用前景。本文用数值研究了喷雾张角、喷雾高度、喷雾压力对水工质闪蒸冷却换热效果的影响。研究结果表明:喷雾压力越大、高度越小,发热表面温度越低,换热量越大,表面温度不均匀性越小;30°喷雾张角比60°换热效果好。本文的研究结果为闪蒸器的优化设计提供了理论基础。     

流量、换热表面方向对光滑表面喷雾冷却的影响

本文借助高速摄影仪对不同流量下、换热表面与水平面成不同角度时,换热表面上冷却工质的分布,以及沸腾换热的特点进行了可视化实验研究。本文主要研究了三种换热表面方向,即水平向上,水平向下,以及与水平面垂直。研究表明:喷雾冷却的热流密度随着流量的增加而提高。当换热表面水平向上时,喷雾冷却换热效果最高;当换热表面水平向下时,换热效果最低,但在一定条件下,具有最高临界热流密度;当换热表面与水平面垂直时,其换热效果介于上述两者之间。     

多喷嘴喷雾场数值模拟分析

本文建立了多喷嘴喷雾场的三维物理数学模型,运用欧拉-拉格朗日法对多喷嘴下的喷雾场进行了详细数值模拟,得到了双喷嘴及三喷嘴情况下喷射入口压力和流量变化对喷雾场内雾滴索太尔直径和雾滴速度的影响规律;并通过与单喷嘴情况进行对比,给出了喷嘴数目对喷雾场内雾滴速度及粒径大小分布的影响。     

入口节流微通道换热器内相变传热特性

设计加工一种带有入口节流结构的铜基微通道换热器,理论分析其传热模型、实验测量微通道换热器内相变换热的传热特性和压力特性。结果表明:换热器内部的热传递过程为其主要换热模式;换热器表面温度随加热热流密度的增大而增大;微通道入口流速对表面温度影响较小;入口工质过冷度线性影响换热器的表面温度。热流密度在不同阶段对换热系数有不同影响,热流密度为360 W/cm~2时,换热器换热系数出现最大值;换热器压降随热流密度和系统流速的增加而增大。     

太阳能腔式吸热器表面反射率的选择

由于开口处阳光能流密度的不均匀分布以及阳光的单侧投射使得太阳能腔式吸热器内部吸热管表面的热流密度分布呈现出高度得不均匀性,严重影响吸热器运行的安全可靠性。采用建立的耦合计算模型对一个饱和蒸汽太阳能腔式吸热器的热性能进行了数值模拟,提出了一种沸腾管表面反射率的优化分布方式,从而改善了吸热器内部沸腾管表面热流密度和温度分布的不均匀性.     

润滑油对基于制冷循环的喷雾冷却系统性能的影响

针对高功率固体激光器的散热需求,设计了一种基于制冷循环的喷雾冷却系统,并对其换热性能进行研究。由于制冷系统的压缩机需要润滑,冷却液中不可避免地会混有润滑油。润滑油会对冷却液的粘度、表面张力产生影响,并可能产生油膜,从而对冷却液的换热过程产生强化或抑制。因此,通过实验研究,分析了润滑油对喷雾冷却换热性能的影响。实验结果表明,冷却液中存在润滑油,会增大冷却液流经喷嘴过程中的阻力,减小流量,但根据本系统的应用情况,可以忽略;在低热流密度时,含有一定量的润滑油更有利于热源表面温度的均匀分布,高热流密度时,2%(质量分数)的含油量对温度分布不均的影响可以忽略;润滑油的存在可以提高临界热流密度,使得系统的散热能力得到提高,更有利于其在高功率固体激光器散热领域的应用。