摘要
喷雾冷却是一种新兴的高效散热技术，其工质利用率高、散热能力强，有望解决大功率电子设备的散热问题。国内外学者己对喷雾冷却进行了较多研究，并将喷雾冷却传热过程分为非沸腾区和沸腾区。相比于非沸腾区，沸腾区有着更高的热流密度，并且标志最强换热能力的临界热流密度存在于沸腾区，因此，沸腾区喷雾冷却传热特性更应成为研究的重点。针对沸腾区传热机理研究和传热强化探索较少的现状，本文采用试验与模型相结合的研究方法，通过试验分析数据和液膜形态、模型模拟假想工况，明确喷雾冷却沸腾传热强化机理，并基于得出的传热强化机理加工新型喷嘴，进一步探究喷雾冷却沸腾传热强化手段。本文主要内容及结论如下： 1.构建了试验系统，能开展喷雾冷却沸腾传热和薄液膜沸腾传热试验。试验系统由喷雾装置、模拟热源、数据采集系统等几部分构成；替换微细雾化喷嘴为大口径直流喷嘴，即可满足薄液膜沸腾传热试验要求；叙述了试验内容、试验步骤及注意事项；把平均热流密度选为反映沸腾传热强弱的评判参数，简单说明了如何运用试验数据计算得出平均热流密度，分析表明热流密度误差为±1.29%。 2.薄液膜沸腾和喷雾冷却沸腾对比试验显示，喷雾冷却沸腾传热性能明显强于薄液膜沸腾传热，当流量为50mL/min、过热度为20K时，喷雾冷却的热流密度高出了57%。观察两种沸腾传热过程的液膜形态发现，有喷雾强烈冲击情形时，热表面形成了极薄的液膜，加剧了表面汽泡的脱离和破裂，是喷雾冷却沸腾传热强的主要原因。 3.通过调整喷雾流量、喷嘴高度、表面结构，研究了液膜分布特性对喷雾冷却沸腾传热的影响规律。试验表明，喷雾流量增大，雾滴冲击增强，液膜内部汽泡直径越小，表面液膜越薄，使得传热性能提升；喷嘴的最佳高度为4mm，此时热表面上的液膜分布更加均匀，能使更多的液体参与沸腾传热，因而强化了传热性能；辐射槽面可使更多的液膜覆盖热表面，所以当流量为50mL/min、过热度20K时，槽面的热流密度比光面增大约40%。所有试验结果证实，液膜分布特性对喷雾冷却沸腾传热有较大影响。 4.喷雾冷却沸腾传热中，热表面由中心向外可分为三个区域：干涸区、蒸发区、沸腾区。不同区域传热方式不同，中心干涸区以热辐射和自然对流传热为主，蒸发区以薄液膜蒸发和强制对流传热为主，沸腾区以核态沸腾和强制对流传热为主。基于池沸腾理论、蒸发理论和辐射理论，分别建立了各区域的传热计算方程，耦合建立了喷雾冷却沸腾传热模型。利用试验数据对模型结果进行了验证，误差均在10%以内，证明了模型计算结果可靠。 5.运用喷雾冷却沸腾传热模型，计算了液膜厚度和三区占比对传热性能的影响，模拟显示薄液膜均匀覆盖热表面，能极大提升喷雾冷却沸腾传热能力。基于试验与模型的研究结果，设计加工了新型微孔阵列喷嘴，新型喷嘴试验表明，该喷嘴不仅消除了热表面的干涸区，而且实现了加热面上的液膜均匀覆盖设想，当过热度为20K、流量为50mL/min时，比商用喷嘴的热流密度提升了16%，证明了传热强化方向的正确性。 喷雾冷却沸腾传热中，雾滴冲击热表面汇集成薄液膜，薄液膜和雾滴击打破坏了汽泡长大合并，加快了汽泡生成和破裂频率，是喷雾沸腾传热能力强的根本原因。商用旋流雾化喷嘴，形成的液膜在表面上分布极为不均，严重削弱了表面利用率，制约了喷雾冷却沸腾传热进一步提升。因此，开发新型雾化喷嘴，实现热表面液膜均匀覆盖，是喷雾冷却沸腾传热强化的较好方向。
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