基于Micro-PIV方法的微槽群热沉内流动与传热的可视化实验和理论研究

【摘要】微尺度传热是当今传热传质领域研究的重点,基于微尺度传热原理所设计的新型冷却方式已经广泛用于大功率电力电子设备元器件、中低温余热利用、大功率激光器冷却以及LED设备的冷却中。开放式毛细微槽群复合相变换热是微尺度传热领域中的一种,其相变换热的原理是液体在微槽群自身的结构所形成的毛细压力梯度下流动,在扩展弯月面区域形成具有高强度蒸发能力的薄液膜区域和厚液膜区域的核态沸腾的高强度复合相变换热。目前微槽群复合相变冷却方式已经得到国内外学者的广泛重视,进行了大量研究并取得了一些重要成果。本文利用Micro-PIV设备对硼硅玻璃材质的矩形毛细微槽群热沉内的弯月面的形状进行可视化实验研究。研究了矩形毛细微槽群热沉在纯蒸发换热状态下,水平放置、倾斜15°、25°和35°时,不同热流密度条件下,微槽群内轴向截面处自适应段、渐缩段和三角区域流动段的弯月面的形状沿轴向的变化情况,并对弯月面形状的实验数据进行拟合处理；对弯月面形状沿轴向分布进行了三维图的绘制；研究了不同热流密度以及不同倾斜角度条件下弯月面的曲率半径沿轴向的变化情况。结果表明：在有热流密度输入时,矩形毛细微槽群热沉内弯月面的形状呈近抛物线形,水平槽内弯月面形状沿轴向是不变的；热流密度的增加对弯月面形状改变有较大影响；水平微槽内弯月面的平均曲率沿轴向基本保持不变,倾斜的微槽内弯月面的平均曲率沿轴向增加；在相同热流密度和相同倾斜角的条件下,三角区域流动段的弯月面沿轴向方向上逐渐向槽的角落退缩。利用Micro-PIV技术对硼硅玻璃和紫铜为基体材料的矩形微槽群热沉内的液体的速度场以及液体流动形态进行了可视化研究,研究了自适应段、渐缩段和三角区域流动段的速度场以及液体的截面积的变化情况并进行了分析；研究了切向方向上截面的速度矢量分布；研究了微槽在不同倾斜角度下槽内液体的流动状态,验证了前人的假设。结果表明：微槽内液体在无外力驱动条件下仅靠毛细力驱动,液体的流速很低,流动状态为层流状态；薄液膜区域的流速要远小于厚液膜区域的流速；矩形毛细微槽群热沉内的液体的流动状态验证了槽内存在自适应段和三角区域流动段；液体与微槽侧壁和槽底所围成的截面积沿轴向方向减小；自适应段和渐缩段的液体截面积拟合的结果为截面积沿轴向呈二次曲线分布；倾斜角越大,数据拟合的曲线的曲率越大,液体的截面积变化也越大；在相同轴向截面处液体的截面积随着倾斜角的增大而减小。三角区域流动段的液体的截面积沿轴向呈线性分布,液体截面积逐渐减小。研究了纯蒸发状态下的倾斜矩形毛细微槽内液体的流动特性并进行公式推导。根据前人提出的微槽内液体的轴向流动特性的理论模型进行修正,并与实验测量到的液膜厚度、曲率半径以及自适应段和渐缩段液体的润湿长度等实验数据进行对比,从而揭示矩形毛细微槽内弯月面的液体的液膜特性。利用高速摄影仪和红外热成像仪对饱和沸腾条件下矩形毛细微槽群热沉内汽泡动力学行为、三相接触线的波动时间以及微槽表面的温度分布等进行可视化实验研究,得到了汽泡破裂导致的三相接触线波动过程、不同热流密度条件下汽泡破裂导致的三相接触线形状的变化、热流密度对三相接触线的波动时间以及汽泡周期的影响、过热度对汽泡的脱离频率的影响、热流密度对汽泡破裂的当量直径的影响以及微槽温度表面的分布等规律。研究结果表明：汽泡的破裂使得三相接触线发生周期性的波动。随着热流密度的增大,接触线的振幅增大,波长变长,波动的更剧烈,接触线的波动传播的范围更广；接触线的波动时间随着热流密度的增加先增加后减小,存在一个峰值；汽泡的生命周期随着热流密度的增加而变短。汽泡破裂的当量直径随热流密度的增加而增大。在热流密度保持不变时,相同槽深条件下,汽泡的当量直径随槽宽的增加而增大；微槽群热沉表面的温度分布呈现波动趋势,存在温度的波峰值和波谷值；微槽表面平均温度随热流密度的升高而升高。汽泡破裂时汽化核心区域的温度在微槽表面3D温度分布图中出现波峰值。
【作者】于东；
【导师】唐大伟；胡学功；
【作者基本信息】中国科学院研究生院（工程热物理研究所），热能工程，2014，博士
【关键词】微槽群热沉；弯月面；流场；曲率半径；液膜厚度；截面积；汽泡动力学；

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