發(fā)布時(shí)間：2020-03-26 09:24

【摘要】：隨著科學(xué)技術(shù)和制造工藝的不斷發(fā)展,微電子元器件越來越廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、動(dòng)力、化工、核能、環(huán)境、石油、冶金等領(lǐng)域。高度的集成化和密集化使得元器件的單位熱流密度不斷增加,散熱成為其大規(guī)模應(yīng)用的主要障礙之一。傳統(tǒng)的純液體單相換熱工質(zhì)已很難滿足當(dāng)今元器件的換熱需求,為加強(qiáng)微結(jié)構(gòu)元器件的散熱,越來越多的研究者將目光集中于兩相流換熱冷卻技術(shù)。兩相流換熱冷卻技術(shù)既可以利用工質(zhì)顯熱交換又可以利用工質(zhì)蒸發(fā)潛熱,所以相比于傳統(tǒng)的風(fēng)冷以及單相對流冷卻技術(shù),兩相流換熱可以大大的增強(qiáng)換熱效果,基于相變冷卻的高性能冷卻技術(shù)在高熱流密度電子元器件領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。相變冷卻技術(shù)雖然具有傳熱效率高的優(yōu)點(diǎn),但同時(shí)存在沸騰起始溫度較高、流動(dòng)不穩(wěn)定性等問題,傳熱效率也有待于進(jìn)一步提升以滿足不斷提高的熱流密度散熱需求。目前,圍繞兩相流強(qiáng)化換熱技術(shù),采用表面微納結(jié)構(gòu)以及表面潤濕性調(diào)控來強(qiáng)化傳熱已成為工程熱物理領(lǐng)域的主要研究熱點(diǎn)和前沿領(lǐng)域之一。表面微結(jié)構(gòu)及潤濕性對兩相流換熱的影響主要體現(xiàn)在改變相界面的表面能、表面核化穴尺寸及其分布、受熱面的毛細(xì)吸液能力等等。研究不同微結(jié)構(gòu)以及潤濕性匹配條件下的氣泡動(dòng)力學(xué)特性以及兩相流換熱機(jī)理,對于新型高效換熱表面的開發(fā)具有重要的理論和工程價(jià)值。為進(jìn)一步揭示微結(jié)構(gòu)及其潤濕性對于氣泡動(dòng)力學(xué)的影響,本文基于FLUENT軟件VOF模型,在冷態(tài)條件下,以空氣水為工質(zhì),研究了均勻及非均勻潤濕性二維平面結(jié)構(gòu)上的氣泡動(dòng)力學(xué)特性。針對平面微結(jié)構(gòu)及凹穴微結(jié)構(gòu),在不同潤濕性匹配條件下,研究了從氣泡生成到脫離的整個(gè)生命周期內(nèi)氣泡界面的擴(kuò)張?zhí)匦约叭嘟佑|線的變化規(guī)律,獲得了微結(jié)構(gòu)和潤濕性對氣泡脫離時(shí)間和脫離半徑的影響規(guī)律�；诹黧w分割思想,本文提出了一種微通道兩相流強(qiáng)化換熱技術(shù),即通過分割式創(chuàng)新微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),在微通道沿程方向上,不斷實(shí)現(xiàn)液體及氣泡的周期性分割,液體的周期性分割使得熱邊界層重新發(fā)展從而減小平均換熱熱阻,大氣泡分割成小氣泡使得氣相體積不變的條件下表面積顯著增大,增加了汽液換熱面積以及氣泡周圍的微對流效應(yīng),從而強(qiáng)化微通道內(nèi)的兩相流換熱�；赩OF模型,在恒壁溫條件下,對分割式微通道內(nèi)以及普通并聯(lián)微通道內(nèi)的兩相流傳熱特性進(jìn)行了對比數(shù)值研究,獲得了普通平行并聯(lián)微通道及分割式微通道內(nèi)的流場和溫度場,揭示了氣泡分割結(jié)構(gòu)對流場和溫度場的影響特性,獲得了流體分割強(qiáng)化微通道兩相流換熱機(jī)理。計(jì)算結(jié)果表明,在相同的工況條件下,單次分割式微通道換熱器較普通并聯(lián)微通道換熱器的換熱量提高9%。本文的工作主要以數(shù)值模擬為主,考慮到相變模型的復(fù)雜性,本課題主要采用空氣/水在冷態(tài)條件下研究了不同微結(jié)構(gòu)和潤濕性匹配對氣泡動(dòng)力學(xué)的影響規(guī)律以及微通道內(nèi)空氣/水兩相流換熱特性,其研究結(jié)果對于實(shí)際相變條件下氣泡動(dòng)力學(xué)特性以及相變換熱特性的研究具有一定的借鑒意義,本文提出的分割式微通道結(jié)構(gòu)也可為微通道換熱器的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供新思路。
【圖文】：

逡逑朱效谷１１５１等人研究了微結(jié)構(gòu)對氣泡的約束與收縮作用，微結(jié)構(gòu)中表面張力逡逑是約束氣泡變形最重要的一個(gè)因素。朱效谷在臺階上裝置電極，基本模型如圖１－逡逑１所示，利用電解水產(chǎn)生氣泡，觀察微結(jié)構(gòu)上氣泡的運(yùn)動(dòng)情況。研究發(fā)現(xiàn)，臺階逡逑的高度對于氣泡的約束起著重要的作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析高度較高的臺階對于氣泡逡逑約束能力較強(qiáng)。微結(jié)構(gòu)表面潤濕性也對氣泡偏移十分重要，當(dāng)臺階高度降低，存逡逑在一個(gè)氣泡約束臨界體積，此時(shí)氣泡會(huì)偏移到潤濕性較差的臺階面上。逡逑頂面逡逑ＸＶ邋－邋＼逡逑ｔ邋＾／／／／／邋ｍｍ邐１逡逑？邋Ｚ臺階／邋底面逡逑ｉ邋壚、，邐Ｊ邋／逡逑圖１－１臺階約束模型｜｜５１逡逑許玲麗１１６１采用不同規(guī)格不同標(biāo)準(zhǔn)的不銹鋼針頭產(chǎn)生氣泡，使其在水中脫離逡逑上升。使用高速粒子成像動(dòng)態(tài)測量技術(shù)捕捉氣泡的運(yùn)動(dòng)軌跡，周圍的壓力場變化。逡逑基于實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，將氣泡脫離分為勻速段和加速段，得出了不同階段的曳力系數(shù)，逡逑采用最小二乘擬合方法

圖２－１接觸角示意圖逡逑接觸角的大小一般在０°到〗８０°，不同的大小意味著表面的潤濕狀態(tài)不同。逡逑當(dāng)0°邋＜邋ｅ邋＜３0°，表面具有很好的潤濕性，液滴能在固體表面很好的鋪展開，，逡逑對于化學(xué)工程中涂料、清洗等具有很大的幫助。逡逑當(dāng)３０°邋＜０邋＜９０°，具有一定的潤濕性，但潤濕效果明顯減弱。逡逑當(dāng)９０°邋＜０，固體表面開始不在呈現(xiàn)親水性，隨著接觸角不斷的增大，固逡逑體表面甚至對液體表現(xiàn)出排斥性，１５０°邋＜０，液滴就會(huì)在表面上呈現(xiàn)球形的形狀，逡逑隨時(shí)有可能滑落，比如雨中荷花上的雨滴。１７０°邋＜ｅ的表面，通常被稱為超疏水逡逑表面。逡逑２．４．４時(shí)間步長的選擇逡逑對于微通道氣液兩相流問題，從物理角度來定義屬于瞬態(tài)問題，也就是說所逡逑有的物理特性隨著時(shí)間的變化而變化。為了保證計(jì)算的精確性，需要在每一個(gè)時(shí)逡逑間步長內(nèi)，保證計(jì)算的收斂性，研宄者們引入了一個(gè)判斷變量Ｃｏ數(shù)。逡逑－
【學(xué)位授予單位】：華北電力大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN40

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本文編號：2601257