微型脉动热管内热驱动气液两相流动与传热机理研究

论文摘要

随着微电子制造业和封装技术的快速发展,电子设备与元器件微型化和集成化程度日益升高,导致其功耗热流密度和工作温度不断攀升,工作稳定性和可靠性受到严重威胁,这就对微型化、高热流密度微电子设备与元器件的散热冷却技术提出了严峻挑战。脉动热管是近年来兴起的一种新型高效散热元件,具有结构简单、成本低廉、传热性能和工作适应性好等诸多优点。但随着电子设备与元器件微型化和集成化程度的不断提升,传统毛细尺度通道脉动热也正向着集成化与微型化的方向发展。随之,微型脉动热管应运而生,它为实现高热流密度微型电子元器件的散热冷却提供了一种有效手段。然而,相较于传统毛细尺度通道脉动热管,微型脉动热管微通道内的尺度效应、界面效应及壁面效应愈加明显,其内部的气液两相脉动流动将呈现出更多的新现象和新规律。因此,开展微型脉动热管内气液两相流动与传热性能的实验及理论研究对于深入揭示微型脉动热管内气液两相流动及传热传质机理具有重要的学术意义,并对工程上指导微型脉动热管散热器件的优化设计提供有力的理论支撑。目前微米级通道内的实验及理论研究还非常有限。现有的微型脉动热管内热驱动气液两相脉动流动行为模式、运行特征及其流型动态演化行为的研究工作还处于探索阶段,与此相关的可视化实验数据十分匮乏,尤其缺少针对不同截面形状微通道内非稳态流型产生及其演化行为的可视化实验研究;另外,已有的理论研究尚不能阐明脉动热管内气液两相流动过程中的热力学与动力学耦合机制。为此,本文采用MEMS加工工艺研制不同通道截面形状的硅基微型脉动热管,借助高速CCD成像系统实现其内部热驱动气液两相脉动流动行为模式、运行特征及其流型动态演化的可视化实验观测,探究管内工质运行状态与热管壁面温度脉动特性及传热性能间的内在联系;基于VOF方法建立考虑气液两相流型演化、蒸发/沸腾-凝结-导热耦合传热关系的微型脉动热管内热驱动气液两相脉动流动行为的三维理论模型并进行数值模拟;引入周期性缩扩变截面通道结构,用于强化通道内工质的流动与传热性能。本论文主要研究的内容和结论如下:（1）基于深反应离子刻蚀加工工艺研制了水力直径550μm的矩形截面通道微型脉动热管,设计并搭建了闭合回路微通道内热驱动气液两相脉动流动、传热及两相流不稳定性可视化实验测试平台,实验观测不同工况下闭合回路矩形截面微通道内热驱动气液两相脉动流动的运行状态、主要流型及其动态演化过程。讨论了运行过程中,气液两相流动不稳定性及传热性能,探究管内工质运行状态与热管壁面温度脉动特性及传热性能间的内在联系。研究结果表明:微型脉动热管内部工质脉动运行状态主要包括三类要素:小幅脉动、大幅脉动与停滞,且这三种运行行为要素既可单独出现,也可间歇性共存。随着热负荷的升高,脉动热管内工质运行状态出现由停滞向大幅脉动的转变,停滞状态所占的份额逐渐减少,小幅脉动和大幅脉动所占的份额分别出现先增加后减小和持续增加的趋势,随之,热管传热性能大幅提升,壁面温度脉动趋于稳定;脉动过程中,气液界面相对位置和速度随时间变化过程是伴随着一些短暂小脉动的准正弦波;微型脉动热管内主要有泡状流、塞状流、环状流以及它们之间的过渡流型等,且受到尺度效应影响,在蒸发段及绝热段出现了喷射流、丝状流等微型脉动热管特征流型;在本实验条件下,脉动热管的最佳充液率,约为50%;沿热管平行通道轴向的重力分量有利于通道间建立非平衡压力状态,及向蒸发段回流补液。（2）基于湿法刻蚀刻蚀加工工艺研制了水力直径550μm的梯形和三角形截面通道微型脉动热管,实验观测并对比不同截面形状（矩形、梯形和三角形）下,微型脉动热管内工质脉动运行特征、气液两相流型及相变行为、各工况下的工质运行状态及传热性能,探究了通道截面形状对微型脉动热管内气液两相脉动与传热性能的影响。研究结果表明:梯形和三角形截面微型脉动热管内未观测到矩形截面微型脉动热管内的核态沸腾现象,气塞主要依靠蒸发段U形弯头处的结构和表面张力的作用使气柱断裂而产生;梯形和三角形截面脉动热管内未观测到喷射流,而是一般的长气塞断裂,这主要是由于底部产生的掺混流在上升过程中的液相与壁面回流的液相不断集中挤压长气塞形成液桥随后断裂而产生;梯形截面和三角形截面微通道由于尖角结构的存在,增大了毛细抽吸作用,有助于液体的回流补液防止蒸发段“烧干”现象发生,降低了梯形和三角形截面脉动热管的热阻;随着热负荷的增加,微型脉动热管的热阻逐渐减小,蒸发段及冷凝段对流换热系数逐渐增加。由于梯形与三角形截面微通道流动阻力较小,且其通道截面尖角有利于工质回流至蒸发段,整体而言,三角形及梯形截面微型脉动热管的热阻较矩形截面微型脉动热管小,蒸发段及冷凝段对流换热系数更高。（3）基于VOF方法,建立了综合考虑气液两相流型演化、蒸发/沸腾-凝结-导热耦合传热关系的热驱动条件下微型脉动热管内气液两相脉动流动行为的三维理论模型,数值模拟了不同热负荷下微通道内气液两相脉动流动行为及传热性能。研究结果表明:所建理论模型能够有效地模拟微型脉动热管内工质气液两相行为,并较好地预测热管温度分布、温度脉动特征,与相关实验数据吻合较好;启动阶段,在不同的热负荷下,脉动热管内含气率呈现上升趋势,并随着脉动热管的稳定运行,冷热两端的蒸发速率与冷凝速率逐渐趋于平衡,管内含气率上升速率降低并逐渐趋于稳定;随着热负荷的增加,热量在蒸发段不断积累,蒸发段和冷凝段之间温差增大,冷热两端之间的驱动力随之增加,热管运行状态逐渐由气液两相的局部脉动转变为可持续的大幅脉动,提高了管内工质的潜热携带能力和显热传递能力,脉动热管等效热阻不断下降,当量导热系数不断升高,整体传热性能增强。（4）引入了三种周期性缩扩变截面通道结构,优化微型脉动热管微通道结构设计,并实验研究了该型设计对微型脉动热管传热性能的强化效果与机理。研究结果表明:缩扩结构变截面通道微型脉动热管运行过程中,同时存在着泡状流、塞状流、环状流等多种气液两相流型,且由于三角形凹穴结构的存在,还出现燕尾型塞状流/泡状流、波环状流等流型;毛细抽吸力使得凹穴处会一直存有一定量的液体,利于抑制蒸发段内液相工质的“烧干”;A型“上窄下宽”式缩扩变截面通道单元内产生的附加毛细驱动压差促进气液相工质向蒸发段移动而阻碍工质向冷凝段移动,C型“上宽下窄”式缩扩变截面通道内产生的附加毛细驱动压差促进气液相工质向冷凝段移动而阻碍工质向蒸发段移动,而B型均匀缩扩截面通道内产生的附加毛细驱动压差可以忽略不计;C型和A型缩扩变截面通道内附加毛细驱动压差总体上对工质运行分别主要产生促进和阻碍作用,且随着热管热负荷的增大而愈加明显;缩扩结构通道带来的附加毛细驱动压差效应、流体内部扰动破坏传热边界层效应以及流阻增大效应间相互博弈,使较低热负荷下具有缩扩结构变截面通道的脉动热管换热性能要逊于均匀截面通道的脉动热管;当热负荷较高时,C型缩扩结构变截面通道脉动热管热阻更小,对流传热系数更高,蒸发段温度更低,传热性能更优。本文工作较为系统揭示了微型脉动热管内气液两相流动和传热特性,阐明了管内工质运行状态与热管壁温脉动特性及传热性能间的内在联系,并通过通道结构的优化设计强化了微型脉动热管传热性能。本研究不仅对于完善微尺度相变传热传质基础理论具有重要的科学意义,也将为微型热驱动气液两相脉动流动换热装置的优化设计提供有力技术支撑。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号表
• 第一章 绪论
•   1.1 课题研究背景及意义
•   1.2 脉动热管概述
•     1.2.1 脉动热管结构特征及工作原理
•     1.2.2 脉动热管工作特点
•     1.2.3 脉动热管运行及传热性能影响因素
•     1.2.4 脉动热管的应用
•   1.3 脉动热管的国内外研究现状
•     1.3.1 脉动热管可视化实验研究
•     1.3.2 脉动热管传热性能实验研究
•     1.3.3 脉动热管理论与数值模拟研究
•     1.3.4 脉动热管传热性能的强化方法研究
•   1.4 本论文的研究内容
•   1.5 本章小结
• 第二章 微型脉动热管内流动与传热特性的实验研究
•   2.1 基于深反应离子刻蚀的矩形通道微型脉动热管流动与传热芯片研制
•   2.2 微型脉动热管可视化实验系统与实验方法
•     2.2.1 实验原理
•     2.2.2 实验系统
•   2.3 实验工质及充液率选择
•     2.3.1 工质选择
•     2.3.2 充液率选择
•   2.4 微型脉动热管可视化实验方法和步骤
•     2.4.1 微型脉动热管充液
•     2.4.2 可视化实验步骤
•   2.5 实验数据整理及误差分析
•     2.5.1 实验数据处理
•     2.5.2 误差分析
•   2.6 实验结果与讨论
•     2.6.1 微型脉动热管内工质脉动运行特征
•     2.6.2 微型脉动热管内气液两相流型及相变行为
•     2.6.3 微型脉动热管传热特性研究
•     2.6.4 微型脉动热管内气液两相流动状态及传热特性相图
•   2.7 本章小结
• 第三章 通道截面形状对微型脉动热管流动与传热性能影响的实验研究
•   3.1 基于湿法蚀刻的非矩形截面通道微型脉动热管流动与传热芯片研制
•   3.2 不同通道截面形状微型脉动热管流动与传热性能对比实验方法
•     3.2.1 对比实验方法
•     3.2.2 实验数据处理及误差分析
•   3.3 实验结果与讨论
•     3.3.1 不同通道截面形状微型脉动热管内工质脉动运行特征对比分析
•     3.3.2 不同通道截面形状微型脉动热管内气液两相流型及相变行为
•     3.3.3 不同通道截面形状微型脉动热管传热性能对比分析
•   3.4 本章小结
• 第四章 微型脉动热管内气液两相流动与传热的数值模拟
•   4.1 数学建模
•     4.1.1 物理模型
•     4.1.2 数学模型
•   4.2 数值模拟结果与分析
•     4.2.1 启动工况流型演化特性
•     4.2.2 工质定向稳定运行时的流动与传热特性
•     4.2.3 各运行工况温度脉动特性及热阻分析
•   4.3 本章小结
• 第五章 基于通道结构改进的微型脉动热管传热性能强化方法研究
•   5.1 周期性缩扩结构变截面通道微型脉动热管芯片设计与研制
•   5.2 实验系统与实验方法
•     5.2.1 周期性缩扩变截面通道微型脉动热管流动与传热性能实验方法
•     5.2.2 实验数据处理及误差分析
•   5.3 实验结果与讨论
•     5.3.1 不同缩扩结构变截面通道微型脉动热管典型流型及其演变行为对比分析
•     5.3.2 不同缩扩结构变截面通道微型脉动热管内工质脉动运行特征对比分析
•     5.3.3 不同缩扩结构变截面通道微型脉动热管传热特性分析
•   5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
•   6.1 结论
•   6.2 主要创新点
•   6.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间取得的主要学术成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王超

导师: 陈永平,刘向东

关键词: 微型脉动热管,气液两相流,可视化,通道截面形状,方法,强化方法

来源: 扬州大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 力学,动力工程,动力工程

单位: 扬州大学

基金: 国家自然科学基金项目(U1530260,51876184,51706193,51706194),江苏省自然科学基金项目(BK20180102),江苏省六大人才高峰(JNHB-074),江苏省科协青年科技人才托举工程,扬州市自然科学基金项目(No.YZ2017103)

分类号: O359.1;TK172.4;TK124

DOI: 10.27441/d.cnki.gyzdu.2019.000146

总页数: 156

文件大小: 28061K

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