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。     

以R21为工质开式系统喷雾冷却实验研究

本文采用准稳态法对以R21为工质的开式系统喷雾冷却性能进行了实验研究。实验在一个大气压和室温条件下进行,并与去离子水的喷雾冷却性能进行了对比。实验结果表明;热流密度在2.87×10~5~7.99×10~5 W/m~2范围内,并且热流密度相同的工况下,工质为R21的热沉表面温度明显低于去离子水;喷雾流量在10.7~17.7 L/h范围内,热流密度和换热系数随着喷雾流量的增加而增大;喷雾高度在6~15 mm范围内,热流密度和换热系数随着喷雾高度的增加先增加后减小。     

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)。     

高功率固体激光器用气助式雾化无沸腾换热性能的实验研究

以水为工质,在维持热流密度及进口水温不变的条件下,进行气助式雾化无沸腾喷雾冷却实验。分析了液体流量、压力以及气体流动参数对雾化液滴索太尔直径dSMD的影响,并进一步研究了其对换热能力及换热表面温度均匀性的影响。实验结果表明气液质量流量比高于5%时,气液压力相当,可以实现气液相对速度、气体动能利用率、气耗率的最优匹配,可以得到最好的换热效果,而液体压力略低于气体压力,可以得到较好的温度均匀性;气液质量流量比低于5%时,气体压力略高于液体压力,保证气体动能利用率的同时提高了气液相对速度,优化了液体雾化和雾滴分布,得到了最好的换热性能和温度均匀性。     

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。     

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。     

微结构表面封闭式喷雾冷却传热特性

以蒸馏水为工质,在闭式循环喷雾冷却系统上,变化喷雾流量,研究了表面几何结构对喷雾传热性能的影响。从对流换热和相变换热比例关系的角度,对喷雾换热机理进行了实验研究。结果表明:与光滑表面相比,微结构表面可明显增强喷雾换热强度,这主要归因于相变换热的增强。表面温度较低时,直肋面换热效果最好 ;增大流量,光面换热增强,而直肋面变化不明显。表面温度较高时,方肋面换热效果最好;随着流量增大,所有面换热均增强。对于微结构表面,相变换热份额均大于50%,故而以相变换热为主;而光滑表面,即使在温度较低时,相变换热份额也大于20%。临界热流密度与三相接触线长度正相关,流量为15.9 mL/min时,方肋面、直肋面和光面的临界热流密度依次为159.1,120.2,109.8 W/cm2,蒸发效率分别为96.0%,72.5%,67.1%。     

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。     

GaN芯片阵列射流冷却技术研究

针对高热流密度GaN芯片局部点热流的散热特点,采用射流冷却传热方法,对340 W/cm~2的高热流密度进行了冷却,热源以4×4点阵形式存在,实验分析了工质流量、热负荷等因素对系统换热性能的影响。以水为冷却工质,工质流量≤4.47 L/min,试验测得点热源温度低于78.8℃。     

压力与流量对喷雾冷却换热特性的影响

本文是在封闭式喷射腔内,以一次蒸馏水作为工质,结合本文所给出的喷嘴高度 H 与有效流量 G' 相互关系的理论模型,对微喷嘴的工质入口压力 P 和工质有效流量 G' 对喷雾冷却的换热特性的影响进行了实验研究.研究结果表明,入口压力 P 对换热效果的影响非常小,而有效流量 G' 对换热效果的影响很大,并且存在一个能使换热效果达到最好的有效流量值.     

R32/R134a在微通道内流动沸腾特性

研究非共沸混合工质R32/R134a(质量比,25%/75%)在水平微尺度通道内流动沸腾换热规律。在各种工况下进行了非共沸混合工质R32/R134a在水平微尺度管道内流动沸腾换热的实验,考察了质量流量G、热流密度q、质量干度x对微尺度通道内流动沸腾换热系数的影响。研究表明:在热流密度、质量流量都较低的区域,对细管道,换热系数与热流密度的关联度较大;而对微管道,换热系数受影响的因素比较多,并在干度为0.6时出现"干涸"现象,使得换热系数急剧下降。在质量流量高的区域,对细管道,热流密度对换热系数的影响很小;而对微尺度管道,当干度为0.06时换热系数发生转变,随质量干度的增加先减小后增大,热流密度增大到一定的阶段后,换热系数不再随热流密度变化。     

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。     

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...     

微尺度水平单管内流动沸腾特性实验研究

对非共沸混合工质R134a/R32(75/25)在水平微尺度管道内的流动沸腾换热实验结果进行了分析和讨论,以探究微细通道内流动沸腾换热的主导机制。对影响其换热的多种因素(热流密度、质量流量和质量干度)进行了分析,实验得出,当质量干度较低时,热流密度和质量流量共同控制着微尺度管内的换热方式,当热流密度的影响占主导地位时,管道内的换热以核态沸腾为主;当质量流量的影响占主导地位时,管道内的换热以强制对流为主。     

不同雾化模式下乙醇静电喷雾冷却换热特性

为揭示静电喷雾冷却过程传热强化机制,设计搭建了静电喷雾冷却传热实验台,对比研究了滴状、微滴、锥射流及多股射流模式下的喷雾粒径、喷雾速度等雾化特性,分析了雾化模式及工质流量对冷却换热性能的影响规律。研究结果表明,随着电压逐渐增加,喷雾粒径不断减小、喷雾速度不断增大,且电场力逐渐主导液体破碎及喷雾液滴撞击换热面过程;此外,随着雾化模式由滴状/微滴转变为锥射流/多股射流时,电场力可有效促进单相换热区的喷雾液滴铺展以及抑制过热状态下的液滴反弹,使核态沸腾阶段向更高表面温度方向延伸,喷雾冷却换热能力显著提升。     

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。     

平行细小槽道热沉的综合性能实验测试

为考察基于矩形平行细小槽道的压降及传热的综合性能,实验测试了去离子水流过三种不同截面尺寸的平行细小槽道热沉的流动与传热特性,槽道截面尺寸分别为1mm×1mm、0.5mm×1mm、0.5mm×1.2mm,表面热流密度为5.6~33.3W/cm2,工质流量为0.3~5L/min。实验测量了压降及对流换热系数随流量变化关系;综合分析了三种热沉的压降-温度随流量变化规律;得出了细小槽道热沉在给定流量范围内,表面温度为70℃时的极限热流密度。实验结果表明:随着流量增加,表面温度与压降呈相反变化趋势,存在一个最佳工况点,该工况点处的工质流量随热流密度增加而增大;文中所设计的热沉在工质流量为1.3~4.75L/min,表面温度控制在70℃时所能承受的极限热流密度为70W/cm2,此时压降约为170kPa。     

小温差喷雾碰壁蒸发过渡段换热特性分析

本文对小温差下水平面的喷雾碰壁蒸发传热特性进行了实验研究.通过对实验数据的分析发现,喷雾碰壁蒸发换热过程可分为三个阶段,即雾化工质单相冲击对流换热段、过渡换热段、充分沸腾换热段.在喷雾碰壁蒸发换热过程中,总的热流密度由单相冲击对流换热的热流密度和沸腾换热的热流密度两部分组成.据此,提出并改进了喷雾碰壁蒸发换热过程中过渡段换热系数的处理方法,将有利于对喷雾碰壁换热的进一步研究.