本文關(guān)鍵詞：蒸汽腔平板熱管內(nèi)氣液相變傳熱特性的實驗研究

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【摘要】：平板熱管是解決受限空間內(nèi)高熱流密度散熱的一種新型高效熱輸運器件,具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、性能好、適應(yīng)性強等優(yōu)點,在空間熱控系統(tǒng)、微電子元器件散熱等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。蒸汽腔平板熱管蒸發(fā)面到冷凝面的距離一般只有幾毫米,在如此狹小的腔體空間內(nèi)蒸發(fā)／沸騰與凝結(jié)同時發(fā)生并相互影響,使得蒸汽腔內(nèi)產(chǎn)生復(fù)雜的氣液兩相流動與相變傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象。因此,開展蒸汽腔平板熱管內(nèi)氣液相變傳熱的研究,不僅具有重要的工程應(yīng)用價值,而對于探索類受限微小空間內(nèi)氣液兩相流動與蒸發(fā)凝結(jié)相變傳熱傳質(zhì)機理具有重要的科學意義。目前,蒸汽腔平板熱管內(nèi)復(fù)雜的氣液相變傳熱機理尚未得到充分揭示,特別是在蒸汽腔內(nèi)部復(fù)雜氣液兩相流體動力行為與相變傳熱之間的內(nèi)在聯(lián)系尚不明確；并且,微小受限空間內(nèi)蒸發(fā)／沸騰與凝結(jié)之間的耦合效應(yīng)對蒸汽腔傳熱的影響機理也較為匱乏。為此,本文設(shè)計搭建了一套蒸汽腔平板熱管氣液兩相工質(zhì)流動與傳熱性能測試實驗平臺,開展蒸汽腔內(nèi)氣液兩相流動的可視化與傳熱性能實驗研究,觀測蒸汽腔的氣液兩相流型與運行特征,并在此基礎(chǔ)上對蒸汽腔傳熱性能影響因素及強化機理進行分析,旨在揭示微小受限空間內(nèi)復(fù)雜氣液兩相流體動力行為與相變傳熱機理。概括起來,本論文的主要研究內(nèi)容及研究結(jié)論如下：(1)開展了蒸汽腔平板熱管氣液相變傳熱的可視化實驗研究,觀測了蒸汽腔中氣液兩相運行狀態(tài)及主要流型,監(jiān)測了壁面溫度變化,并建立了工質(zhì)運行狀態(tài)與壁溫變化間的內(nèi)在聯(lián)系。研究結(jié)果表明：隨熱負荷增加,蒸汽腔準穩(wěn)態(tài)運行模式依序呈現(xiàn)“持續(xù)大幅脈動運行模式”、“大幅脈動與短暫小幅脈動交替運行模式”、“小幅脈動與短暫大幅脈動交替運行模式”和“持續(xù)小幅脈動運行模式”;不同運行模式下,蒸汽腔壁溫變化各具特點,可以成為判斷蒸汽腔內(nèi)工質(zhì)運行狀態(tài)的重要判據(jù)；蒸汽腔平板熱管運行時腔體內(nèi)存在著多種流體動力行為特征,如氣泡的產(chǎn)生、長大、運動、聚并、破裂、凝結(jié)以及液體的波動等,它們對蒸汽腔的穩(wěn)定運行與高效傳熱有重要影響。(2)開展了蒸汽腔平板熱管的傳熱性能實驗研究,分析了蒸汽腔傳熱性能的各種影響因素,建立了氣液兩相流體動力行為與傳熱性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。研究結(jié)果表明：隨著熱負荷的增大,蒸汽腔熱阻呈整體下降趨勢。存在一個最佳的充液率(≈49%)使得蒸汽腔熱阻表現(xiàn)最小,此時蒸發(fā)／沸騰與凝結(jié)換熱之間的相互影響程度達到了一個最佳水平,使得蒸汽腔表現(xiàn)出了最佳的傳熱性能;遠離此充液率時,蒸汽腔的傳熱能力會受到一定的限制。并結(jié)合氣液兩相流體動力行為圖像對蒸發(fā)／沸騰與凝結(jié)之間的相互影響作用機理進行了分析：充液率較低時,氣泡或沸騰液很少能與冷凝面接觸,蒸發(fā)／沸騰與凝結(jié)之間的相互影響程度較弱；充液率較高時,氣泡脫離頻率的降低、冷凝面部分區(qū)域被液面覆蓋以及液柱等現(xiàn)象使得蒸汽腔內(nèi)蒸發(fā)／沸騰和凝結(jié)換熱強度均受到了一定程度的抑制；而當充液率處在一個中間水平范圍時,液位高度以及液面到冷凝面的距離均比較適中,蒸發(fā)／沸騰換熱與凝結(jié)換熱之間相互促進。隨著受限空間高度從20mm逐漸降低到5mm,蒸汽腔的傳熱性能越來越好。(3)開展了蒸汽腔平板熱管內(nèi)蒸發(fā)／沸騰與凝結(jié)耦合傳熱實驗,測試了不同充液率下的沸騰與凝結(jié)換熱系數(shù)。研究結(jié)果表明：分別存在一個最佳的充液率使得蒸汽腔內(nèi)沸騰或凝結(jié)換熱系數(shù)達到最大值,沸騰和凝結(jié)換熱系數(shù)達到最大值對應(yīng)的充液率分別為33%和52%。在此充液率下,液位高度以及液面與冷凝面之間的空間大小適中,蒸發(fā)／沸騰與凝結(jié)之間具有較好的耦合傳熱關(guān)系,可最大程度地促進沸騰換熱或凝結(jié)換熱。(4)開展了內(nèi)置絲網(wǎng)吸液芯對蒸汽腔平板熱管傳熱性能的影響實驗,對比了不同吸液芯結(jié)構(gòu)或布置形式對蒸汽腔傳熱性能的影響,并觀測了不同吸液芯結(jié)構(gòu)或布置形式下蒸汽腔內(nèi)的氣液兩相換熱特征。研究結(jié)果表明：絲網(wǎng)吸液芯有助于增加蒸發(fā)壁面上的汽化核心,且氣泡多在吸液芯與蒸發(fā)面接觸區(qū)域的邊角地帶產(chǎn)生;內(nèi)置陣列式吸液芯的蒸汽腔比十字形吸液芯蒸汽腔表現(xiàn)出了更好的傳熱性能：對于相變空間內(nèi)充滿卷式吸液芯的蒸汽腔,在實驗的充液率范圍內(nèi)(20%-70%),順重力條件下均能正常工作,使其表現(xiàn)出最小傳熱熱阻的充液率為50%：加入絲網(wǎng)吸液芯后蒸汽腔內(nèi)的氣液兩相工質(zhì)運行狀態(tài)相比無吸液芯時更加穩(wěn)定,在相同熱負荷下的沸騰過程沒有表現(xiàn)出無吸液芯時存在的間歇性特點。(5)開展了反重力條件下蒸汽腔平板熱管傳熱性能實驗研究,分析了充液率、空間高度等對傳熱性能的影響規(guī)律,探索了蒸發(fā)面結(jié)構(gòu)和吸液芯布置對氣液工質(zhì)循環(huán)的改善作用。研究結(jié)果表明：充滿卷式吸液芯的蒸汽腔在反重力條件下的熱阻隨充液率的增加呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢,熱阻達到最小值對應(yīng)的充液率為60%；隨著受限空間高度的降低,蒸汽腔傳熱性能逐漸優(yōu)化；采用分形槽道蒸發(fā)面結(jié)構(gòu)和絲網(wǎng)組合式吸液芯有利于氣液工質(zhì)循環(huán),能提高熱管傳熱能力。
【關(guān)鍵詞】：蒸汽腔 蒸發(fā) 凝結(jié) 氣液兩相流 流型
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TK124;TK172.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 緒論11-20
• 1.1 研究背景及意義11-12
• 1.2 蒸汽腔平板熱管概述12-13
• 1.2.1 蒸汽腔平板熱管結(jié)構(gòu)特征及工作原理12-13
• 1.2.2 蒸汽腔平板熱管的特點13
• 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-18
• 1.3.1 蒸汽腔平板熱管傳熱性能研究14-15
• 1.3.2 蒸汽腔平板熱管強化傳熱技術(shù)研究15-17
• 1.3.3 受限空間內(nèi)沸騰與凝結(jié)相變換熱機理研究17-18
• 1.4 本論文的研究內(nèi)容18-19
• 1.5 本章小結(jié)19-20
• 第二章 蒸汽腔平板熱管內(nèi)氣液相變傳熱的可視化實驗研究20-67
• 2.1 實驗系統(tǒng)與方法20-28
• 2.1.1 蒸汽腔平板熱管內(nèi)相變傳熱可視化實驗原理和系統(tǒng)20-26
• 2.1.1.1 實驗原理20-21
• 2.1.1.2 實驗系統(tǒng)21-26
• 2.1.2 蒸汽腔平板熱管內(nèi)相變傳熱可視化實驗方法和步驟26-28
• 2.1.2.1 蒸汽腔充液26-27
• 2.1.2.2 可視化實驗步驟27-28
• 2.2 蒸汽腔平板熱管內(nèi)氣液相變傳熱的可視化實驗結(jié)果分析28-49
• 2.2.1 蒸汽腔平板熱管內(nèi)氣液兩相工質(zhì)運行狀態(tài)的分析28-36
• 2.2.1.1 啟動階段28-31
• 2.2.1.2 準穩(wěn)定運行階段31-36
• 2.2.2 蒸汽腔平板熱管內(nèi)氣液兩相行為分析36-40
• 2.2.2.1 核態(tài)沸騰及氣泡的長大36-37
• 2.2.2.2 氣泡的聚并37-38
• 2.2.2.3 氣泡的分裂38-39
• 2.2.2.4 氣泡的冷凝39-40
• 2.2.3 蒸汽腔平板熱管傳熱性能及其影響因素的分析40-49
• 2.2.3.1 熱負荷的影響40-42
• 2.2.3.2 充液率的影響42-48
• 2.2.3.3 空間高度的影響48-49
• 2.3 蒸汽腔平板熱管內(nèi)蒸發(fā)與凝結(jié)傳熱特性的實驗結(jié)果分析49-64
• 2.3.1 新型蒸汽腔平板熱管結(jié)構(gòu)簡介50-55
• 2.3.2 兩種蒸汽腔內(nèi)熱阻對比分析55-56
• 2.3.3 充液率的影響56-61
• 2.3.3.1 充液率對熱阻的影響56-57
• 2.3.3.2 充液率對換熱系數(shù)的影響57-59
• 2.3.3.3 紅外熱像圖分析59-61
• 2.3.4 氣液兩相耦合傳熱可視化分析61-64
• 2.3.4.1 氣泡與冷凝液之間的相互影響61-62
• 2.3.4.2 沸騰液與冷凝液之間的相互影響62-63
• 2.3.4.3 沸騰液與氣泡之間的相互影響63-64
• 2.4 本章小結(jié)64-67
• 第三章 絲網(wǎng)吸液芯對蒸汽腔平板熱管傳熱性能的影響研究67-81
• 3.1 十字形吸液芯對蒸汽腔平板熱管傳熱性能的影響研究67-70
• 3.1.1 十字形吸液芯結(jié)構(gòu)簡介67-68
• 3.1.2 傳熱性能分析68-70
• 3.2 陣列式吸液芯對蒸汽腔平板熱管傳熱性能的影響研究70-73
• 3.2.1 陣列式吸液芯結(jié)構(gòu)簡介70-71
• 3.2.2 傳熱性能分析71-73
• 3.3 卷式吸液芯對蒸汽腔平板熱管傳熱性能的影響研究73-76
• 3.3.1 卷式吸液芯結(jié)構(gòu)簡介73-74
• 3.3.2 充液率的影響74
• 3.3.3 傳熱性能分析74-75
• 3.3.4 反重力條件下的工作性能75-76
• 3.4 吸液芯對蒸汽腔運行狀態(tài)的影響分析76-79
• 3.5 本章小結(jié)79-81
• 第四章 反重力條件下蒸汽腔平板熱管的傳熱性能研究81-90
• 4.1 實驗方法簡介81-83
• 4.2 實驗結(jié)果與討論83-88
• 4.2.1 充液率的影響83-84
• 4.2.2 空間高度和分形槽道的影響84-85
• 4.2.3 吸液芯結(jié)構(gòu)的影響85-88
• 4.3 本章小結(jié)88-90
• 第五章 結(jié)論與展望90-93
• 5.1 結(jié)論90-92
• 5.2 創(chuàng)新點92
• 5.3 展望92-93
• 參考文獻93-97
• 致謝97-98
• 攻讀碩士學位期間取得的主要學術(shù)成果98

【參考文獻】

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本文編號：823030