液体空化强化微通道传热机理研究

【摘要】随着微电子技术与激光技术的迅猛发展,电子芯片与激光二极管列阵等器件的集成度越来越高,其功率热耗不断攀升,在有限空间内及时消除因功率耗散转化的废热已成为制约大功率集成电路技术与激光技术发展的主要瓶颈。面对集成微电子器件日益高涨的热流密度,传统微通道冷却技术面临巨大挑战,加强相关强化换热技术研究,对于提高微通道热沉换热能力,推动相关冷却技术发展具有重要科学意义与实际价值。基于上述背景,本文选取微通道热沉为研究对象,以水力空化强化换热为切入点,采用数值模拟、实验研究与可视化观测相结合的手段对微通道热沉耦合水力空化强化换热机理展开研究,以期查明不同尺度与结构下空化泡形成、生长及溃灭的动力学行为特性及其对传热的作用机制,掌握微通道内流体流型随空化参数的变化规律以及流型转换对传热强化的影响规律,全方位多角度揭示液体空化强化微通道传热微观机理,为其实际应用奠定坚实的科学理论基础和提供重要技术支撑。论文首先从空泡动力学角度,基于VOF模型和Navier-Stokes方程,对半无限大空间静止流体中近壁面空化泡的生长、溃灭过程及其对壁面传热的影响进行了研究,成功捕捉到了微秒量级内空化泡溃灭瞬间泡壁界面的动态变化过程,获得了由于泡壁界面运动诱发的液体速度场和温度场分布。通过深入分析空化泡壁轮廓、液体流场与热边界层三者之间的内在变化关系,揭示出空化泡溃灭产生的高速微射流是其强化传热的主要微观机制。在此基础上,分析了空化泡与壁面之间的初始无量纲距离、空化泡初始半径以及初始饱和压力等因素对空化泡在单壁面附近动力学特性和传热的影响。基于单壁面研究结果,论文进一步对平行双壁面间的空化泡动力学特性及其对传热的影响进行了研究。研究结果表明：由于双壁面的限制作用,空化泡的溃灭过程呈现出了明显不同于单壁面的特征,空化泡在双壁面间的运动将经历两次溃灭过程。第一次溃灭期间,空化泡壁的收缩主要发生在双壁面的对称中心处,形成“哑铃”形状,并最终分割成两个子气泡。第二次溃灭期间,两个子气泡在分别向上、下壁面移动的过程中逐渐收缩,最终被垂直于壁面的液体射流穿透。由于空化泡在平行双壁面间的动力学行为特性与单壁面不同,因此对壁面传热的影响也不尽相同。为此,论文就空化泡初始半径、泡内初始压力以及气泡初始位置等因素对空化泡运动和传热的影响进行了分析和讨论。在二维模拟研究的基础上,论文建立了三维空化泡动力学模型,并对空化泡在三维微通道内的动力学特性及其对传热过程的影响进行了研究。研究结果显示,空化泡在三维微通道内的生长、溃灭过程与单壁面和平行双壁面存在明显的差异。由于通道四周壁面的限制,空化泡的生长主要朝着通道出口方向,形成椭球状。在溃灭阶段,空化泡壁首先沿着生长的反方向收缩,待空化泡形成扁平形状后,开始自壁面向通道中心收缩,形成“橄榄”状。由于空化泡自身的热阻较大,与空化泡壁贴近的通道壁面区域内的传热条件将恶化,而在液体射流引起局部漩涡流动的区域,传热得到强化。在此基础上,进一步分析了空化泡初始半径与初始位置等因素对空化泡在微通道内的运动和传热过程的影响。为了从实验角度对液体空化强化微通道换热进行研究,论文采用AutoCAD与三维Inventor实体建模相结合的方法,设计了内置矩形和渐缩-渐扩形限流结构的两种铜基微通道热沉,并搭建了可视化实验测试平台,分别对两种微通道热沉在各种空化数、雷诺数以及热流密度工况下的空化流动特性和传热特性进行了研究,掌握了各种因素对空化流型和传热的影响规律,阐明了两种不同空化结构的流动阻力与传热特性差异,为微通道内空化强化换热结构的优化设计奠定了理论基础。在实验研究的基础上,论文进一步探索了常规空化模型在微通道空化流动与传热模拟研究中的应用。数值模拟得到的空化流型与实验观察到的结果较为吻合,表明常规空化模型对于微通道内空化流动的模拟具有一定的适应性。但是,受制于空化模型的不足,传热模拟结果不理想,论文对其原因进行了具体分析并提出了改进的方向。
【作者】刘斌；
【导师】淮秀兰；蔡军；
【作者基本信息】中国科学院研究生院（工程热物理研究所），工程热物理，2014，博士
【关键词】液体空化；微通道热沉；空泡动力学；数值模拟；可视化实验；强化换热；

【参考文献】
[1]李雅红.网上实时答疑系统的研究与实现[D].沈阳工业大学,计算机应用技术,2003,硕士.
[2]杨辉,于欢,蔡晓波,李文彦,涂志龙,郭兴忠.氢氧化钾化学活化竹炭及其吸附机理[J].新型建筑材料,2014,S1:45-48.
[3]关志鹏.茂名渣油加氢处理装置经济运行模型研究[D].清华大学,工业工程（专业学位）,2013,硕士.
[4]陈力予.我国行政问责制度及对问责程序机制的影响研究[D].浙江大学,2008.
[5]姜腾晖.功能对等理论指导下的商务宣传手册英译[D].湖南师范大学,翻译（专业学位）,2014,硕士.
[6]周长江.数字城市三维景观建模及可视化技术研究[D].中国矿业大学,大地测量学与测量工程,2014,硕士.
[7]蔡荷莉.基于低碳视角下的国际竞争力研究[D].浙江大学,国际商务（专业学位）,2013,硕士.
[8]苏少伟.《支那崽》的暴力书写[D].华东师范大学,比较文学与世界文学,2013,硕士.
[9]陈诚.领导—成员交换对工作绩效的影响:内部人身份认知的中介作用[D].广东财经大学,企业管理,2014,硕士.
[10]肖珠.改写理论视角下的《红楼梦》王际真译本研究[D].西南交通大学,外国语言学及应用语言学,2013,硕士.
[11]林芳.天津碱厂档案管理系统的设计与实现[D].天津大学,计算机技术,2013,硕士.
[12]任小洁.高中语文口语交际教学现状及策略研究[D].河北师范大学,学科教学,2014,硕士.
[13]张心心.高三数学复习课教学策略的实践研究[D].东北师范大学,教育,2012,硕士.
[14]何润博.经济型轿车市场的消费者品牌偏好研究[D].南京财经大学,企业管理,2012,硕士.
[15]许联芳.湖南省农业生态安全地域差异研究[D].湖南师范大学,自然地理学,2004,硕士.
[16]龚雪.学术资本主义视域下的师生关系研究[D].湖北大学,高等教育学,2012,硕士.
[17]迟久鹏.偏牵引梳齿式采棉机结构稳定性及强度的分析研究[D].新疆大学,工程力学,2013,硕士.
[18]刘明娟.中国场地自行车运动员参加伦敦奥运会主要环境因素的影响与调节应对[D].首都体育学院,体育教学,2013,硕士.
[19]王加磊.HIV-1蛋白酶新型抑制剂的分子动力学研究[D].山东师范大学,原子与分子物理,2013,硕士.
[20]欧阳电平,刘欣前,姜凌沛.企业自适应CRM系统实施方略探讨[J].科学学与科学技术管理,2002,09:78-80+88.
[21]刘丽丽.大尺寸曲面视觉测量方法与系统研究[D].河南科技大学,机械制造及其自动化,2014,硕士.
[22]魏伟.我国循证社区矫正研究[D].燕山大学,诉讼法学,2013,硕士.
[23]朱效清.泰国中高级阶段留学生“在X上”构式习得研究[D].湖南师范大学,对外汉语,2013,硕士.
[24]李琴.术前超声预测腹腔镜胆囊切除术手术难度的临床研究[D].苏州大学,临床医学,2013,硕士.
[25]龙运泓.中国西南航空公司常旅客系统建设[D].四川大学,2004.
[26]潘群.石墨纳米片的制备及其在超级电容器中的应用[D].武汉理工大学,2013.
[27]白倩.公司治理对会计稳健性影响的实证研究[D].首都经济贸易大学,会计学,2013,硕士.
[28]王颖.《左传》中的盟誓研究[D].西北大学,中国古代文学,2013,硕士.
[29]刘晓辉.超常价态过渡金属氧化还原引发聚乙烯醇接枝共聚合反应的研究[D].河北大学,高分子化学与物理,2003,硕士.
[30]刘京亮.收入结构视角下河北省农民收入增长研究[D].河北经贸大学,应用统计（专业学位）,2014,硕士.
[31]王琦.中学生共情能力问卷编制及信效度研究[D].湖北大学,发展与教育心理学,2011,硕士.
[32]徐怿哲.浅析中国传统绘画画中屏风设置的意义[D].景德镇陶瓷学院,美术学,2014,硕士.
[33]周晓光,朱蓉,聂规划.数据仓库的安全与对策研究[J].武汉理工大学学报(信息与管理工程版),2002,03:83-86.
[34]杨健,王连俊.岩爆机理声发射试验研究[J].岩石力学与工程学报,2005,20:198-204.
[35]金垠守.关于建立韩中日自由贸易区的探讨[D].对外经济贸易大学,国际贸易,2004,硕士.
[36]刘丽周.河北工业“三废”污染治理研究（1950-1980年代）[D].河北师范大学,中国近现代史,2013,硕士.
[37]王雨.我国寿险公司风险管理分析报告[D].河北大学,保险（专业学位）,2014,硕士.
[38]徐婉瑈.股份支付与会计信息质量、公司价值相关性研究[D].浙江财经学院,会计学,2013,硕士.
[39]黄金礼.高性能计算机系统能耗管理技术方法研究[D].国防科学技术大学,计算机科学与技术,2012,硕士.
[40]陈星星.三阴性乳腺癌放射治疗的临床和相关细胞水平放射敏感性的研究[D].复旦大学,肿瘤学,2013,博士.
[41]翁武斌,王智化,何勇,周雅君,周志军,周俊虎,岑可法.甲烷湍流射流火焰锋面结构的激光PLIF测量[J].工程热物理学报,2014,11:2308-2312.
[42]李维军.W_mC_n(m+n≤7)团簇的密度泛函理论研究[D].江苏科技大学,材料工程（专业学位）,2013,硕士.
[43]王觅蕤.基于力比曲线的电动自行车后悬架机构优化设计[D].中北大学,机械设计及理论,2013,硕士.
[44]梅举.基于蒙特卡洛方法的移动传感器网络定位技术研究[D].山东大学,电路与系统,2013,硕士.
[45]曹雨婷.游戏化设计在旅游体验中的设计与研究[D].湖南大学,品牌传播,2013,硕士.
[46]陈灿.Sb_2E_3(E=S,Se)微纳米材料的合成、调控和性能研究[D].杭州师范大学,有机化学,2013,硕士.
[47]张艳瑜.社区养老与老年人生活质量探析[D].华中师范大学,社会工作,2013,硕士.
[48]马晔.喀斯特干湿交替生境下AM真菌对金银花（Lonicera japonica Thunb.）生长和生理的影响[D].西南大学,生态学,2014,硕士.
[49]李桂芝.新安画派笔墨表现演变研究[D].西南交通大学,美术学,2013,硕士.
[50]白丽丽.高频数据下投资者情绪与股票收益的研究[D].浙江工商大学,统计学,2013,硕士.