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 ℃。     

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%。     

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。     

细圆管内超临界二氧化碳对流换热的实验研究

本文对超临界压力二氧化碳在内径为1 mm的竖直细圆管中的对流换热进行了实验研究.分析了流体的热流密度、进口温度、质量流量以及流动方向对超临界压力二氧化碳对流换热的影响.实验研究发现,热流密度、进口温度、质量流量以及浮升力对细圆管内对流换热的影响很大,对流换热系数在准临界温度附近存在峰值.在加热的前半段向上流动的对流换热强于向下流动,在加热的后半段则相反.随着热流密度与质量流量比值的不断增加,向上流动与向下流动对流换热强弱转换的交点不断向流体进口方向推移,并且向上流动的壁面温度出现峰值,发生换热恶化,而向下流动则没有出现换热恶化.     

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。     

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。     

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)。     

超临界压力下碳氢燃料在竖直圆管内对流换热实验研究

采用超临界压力碳氢燃料作为冷却剂的再生冷却技术是超声速燃烧冲压发动机的一种重要热防护技术。本文以工程碳氢燃料为工质,在内径2 mm的竖直圆管内进行了不同流向、流量、压力、热流密度条件下的对流换热实验研究。结果表明,在较高进口Re数条件下,相同热流密度时,向上流动和向下流动工况的壁温分布没有明显差别;在较低进口Re条件下,向上流动工况的局部壁温远高于对应向下流动工况,发生传热恶化。研究表明该碳氢燃料的临界Bo*数判据为3×10~(-7)。拟合得到适用于该碳氢燃料的对流换热关联式。     

阵列喷嘴干冰喷雾冷却特性数值研究

针对高热载荷电子设备散热冷却问题,开展阵列喷嘴干冰升华喷雾冷却特性数值模拟研究。分析了阵列喷嘴入口速度、喷雾高度和模拟热源加热热流密度对干冰喷雾冷却特性和温度均匀性的影响。结果表明：入口速度50 m/s时,热源表面平均温度达到最低值276.3 K;喷雾高度为3 mm时,热源表面的温度均匀性效果最佳。提高干冰入口速度和降低喷雾高度可强化冷却效果和热源表面热均匀性,模拟热源加热热流密度对干冰喷雾冷却换热系数影响不明显。     

基于制冷循环的闭式喷雾冷却系统实验研究

喷雾冷却是一种高效换热方式,有着良好的发展前景,其主要优势在于单位质量流体冷却能力强、系统中工质用量少、换热表面温度分布均匀、系统稳定性强。本文设计了使用R134-a作为工质的基于制冷循环的闭式喷雾冷却系统,研究了不同质量流量、腔内压力和热流密度情况下的冷却性能。实验结果表明,喷雾冷却的换热能力优异,最大冷却热流密度达到130 W/cm~2,同时可将表面温度控制在45℃以下,可以保证电子器件的稳定高效运行。此外,系统工质流量及腔内压力存在最优值,且表面过热度对冷却效率有显著的影响。     

微纳复合结构表面液滴铺展及蒸发特性实验研究

已有研究表明,微纳表面结构能显著强化喷雾冷却性能,但是其强化换热机制尚需进一步深入研究。本文对不同表面温度下液滴在不同微纳复合结构表面的铺展和蒸发行为开展了实验研究。研究结果表明,与液滴在光滑表面的铺展和蒸发性能相比,微纳复合结构表面可以增强液滴的铺展和蒸发,进而提高喷雾冷却换热系数(Heat Transfer Coefficient,HTC)和临界热流密度(Critical Heat Flux,CHF);微米沟槽的宽度越大,蒸发越快;三角形斜交微米柱阵列表面铺展各向同性优于方柱正交阵列。     

喷雾下热沉表面红外热成像的可视化研究

本文是在喷雾条件下，通过红外热成像可视化技术，对矩形毛细微槽群表面以及光滑表面热沉的换热过程进行可视化研究。与传统的接触式测温手段相比，红外热成像技术能直观地反映整个局部范围内的温度分布，对进一步研究各种参数对喷雾冷却换热的影响提供了更好的实验基础。结果表明，随热流密度的增加，发现最先开始出现干涸现象是在热沉表面中心，...     

流动方向对超临界二氧化碳流动传热特性的影响

本文基于拟沸腾理论研究了超临界二氧化碳(sCO₂)在水平和垂直向上管中的流动和传热特性差异.比较了不同质量流量、热流密度和压力下水平管与垂直向上管的流动和换热特性差异.与以往超临界流体的经典单相流体假设不同,本文引入拟沸腾理论来处理sCO₂在两管中的流动和传热,将超临界流体视为多相结构,包括近壁区的类气层和管芯中的类液流体.结果发现,传热方面,在正常传热模式下垂直向上管内壁温和水平管底母线内壁温基本一致.当垂直向上管发生传热恶化时,垂直向上管的壁温峰值会随着超临界沸腾数(SBO)的增大超过对应焓值位置的水平管顶母线内壁温.垂直向上管中SBO区分了正常传热和传热恶化.而在水平管中,当弗劳得数小于100时,SBO主导顶底壁面最大壁温差.相比于垂直向上管,相同压力下的超临界流体在水平管内发生传热恶化需要更高的热流密度和质量流量的比值.流动方面,引起垂直向上管压降斜率增高的机理是孔口收缩效应.主导水平管压降变化的机理是分层效应,并用弗劳得数在水平管中顶底壁温差异与压降之间建立联系.     

毛细矩形微槽群表面喷雾冷却实验研究

本文是在开放式喷雾条件下,以一次蒸馏水为工质,通过改变毛细矩形微槽群表面的位置、喷嘴的出口压力P以及流量G对毛细矩形微槽群表面的换热特性进行实验研究。微槽表面的槽深、槽宽和槽间距分别为0.7 mm、0.55 mm及0.15 mm,微槽的有效加热表面为2 cm×2 cm,喷嘴出口压力P的变化范围为0.3～1.0 MPa。实验研究表明,加热表面的位置对换热效果有一定的影响,在毛细矩形微槽群表面微槽的法线方向与地面平行且轴向方向也与地面平行时的换热效果最好;同时,喷嘴的压力及流量的变化对喷雾冷却也有很大的影响,在单相换热区域,压力流量越大换热效果越好,但在两相换热区域,随着压力流量的增加换热效果则是先增加后减小,本实验在压力为0.51 MPa,流量为26.5 mL/min时所得的换热效果最好。     

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。     

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%。     

光滑表面与切槽表面喷雾冷却的实验研究

本文通过改变喷雾的流量(压力)、喷射高度和喷射倾斜角对平板和切槽表面喷雾冷却进行了实验研究。实验用的强化表面是将表面切割出0.2mm高、0.2 mm宽的方形翅块。实验结果表明:流量、喷射高度均存在最优值,大的喷射倾角会削弱冷却性能;对比同样条件下的平板表面,切槽表面显著强化了喷雾冷却的性能,对流换热系数提高约30%。     

竖直圆管中超临界压力CO2对流换热实验研究

本文对超临界压力CO2在竖直加热圆管内的对流换热进行了实验研究,比较了不同流向、不同热流密度等对流动和换热的影响。实验结果表明,管内径为2mm时,在低进口Re条件下,由于浮升力影响导致层流向湍流提前转变, 对流换热增强;与向上流动相比,向下流动更易由层流转变为湍流;向下流动的换热要强于向上流动,表明浮升力对换热有很大影响。对于管内径为0．27 mm的微细圆管,当进口Re高于104时,浮升力的影响可以忽略,对流换热系数的变化完全由物性的变化尤其是cp的变化导致。     

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。     

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...