喷雾冷却技术研究(2)

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4.2质量流量对喷雾冷却换热的影响 . 21

4.3工质进口温度对喷雾冷却换热的影响 . 24

4.4喷雾冷却效率的影响因素 . 25

4.5影响努塞尔数的因素 . 27

4.6本章小结 . 28

结论 . 30

致谢 . 32

参考文献 . 33

1 绪论 1.1 课题研究背景自从上世纪发明半导体以来,电子元器件的集成化和小型化技术发展迅速,这就导致局部热流密度大幅度提高。未来的电子系统将越来越多地使用高热流密度散热技术。面对大功率、高热流密度的电子元件的冷却问题,传统的冷却技术已很难满足其冷却要求。特别是在国防以及航空航天领域，随着电子元器件高度集成化、固体激光器功率增强、雷达微型化，高热流密度散热问题显得越来越重要，美国劳伦斯国家实验室研制的大功率固体激光器的功率已经达到了 10kw。Lee D. J [1]在上世纪八十年代指出，半导体的工作温度每上升 10℃，其可靠性将会下降 50%。大部分电子器件失效是由于局部温度过高导致的，因此为了保持较低的工作温度需要设计高热流密度散热系统，从而提高部件的可靠性，并能导致更高的性能。未来的电子系统使用液体冷却是不可避免的。液体冷却技术包括微通道中的单相冷却、喷雾制冷、冲击射流冷却，热管等。而喷雾冷却近年来作为一种新型的电子设备换热方式得到普遍关注，其具有高热流密度的冷却能力和严格的温度控制能力。因此，喷雾冷却技术被广泛认为是未来高热流密度电子元件散热的一项重要技术,正在受到越来越多的关注和研究。
1.2 喷雾相变冷却机理喷雾冷却是指液体通过雾化喷嘴借助高压气体（气体协助雾化喷射）源]自=751-·论~文"网·www.751com.cn/ 或是依赖压力泵（压力雾化喷射）使液体雾化，强制喷射到被冷却物体表面，实现对其有效冷却的技术。如图 1.1 所示，在喷雾冷却中，当液滴撞击到热源表面上时，会在上面形成一层薄液膜，通过液膜的蒸发和液膜与热源表面的对流带走大量的热。与此同时，表面液膜在沸腾传热的核态沸腾区也进行换热。想要进一步强化沸腾换热就要增加受热面上的气化核心，一般认为表面上的细缝和凹坑是理想的气化核心。与射流冲击冷却和池式沸腾相比，喷雾冷却具有更大的换热系数和临界热流密度，并有温度均匀性好、换热温差小、过热度小和冷却介质需求量低等特点。过增元[2]从三维对流换热能量方程出发推导出了对流换热的物理机制:认为对流换热是有内热源的导热问题。对流换热的强度取决于内热源的强度，而内热源强度不仅取决于流体的物性、速度、温差，速度场与热流场的夹角也是重要的影响因素。速度场与热流场的夹角减小，源项增加，对流换热强度增加。当速度场与热流场垂直时，则对流换热强度达到最小。改变速度场与热流场的协同就可以控制对流换热的强度。可以根据这种场协同观点发展一系列加强对流换热的技术。 Matteo Fabbri[3]用高速摄像仪观察到，喷雾液滴击打到受热面后，一部分飞溅，另一部分在受热面形成薄液膜。液膜的流速和厚度对喷雾冷却的换热影响非常显著。液膜主要进行固液气之间的对流换热，小部分进行蒸发换热。Hsieh[4]以水作为喷雾工质进行了实验研究，发现在较低质量流量的喷雾冷却中，受热面的薄液膜蒸发换热是其最主要的传热机理，润湿性决定了薄液膜蒸发的快慢。而Lin[5,6]、Kim[7]等人的研究结果与 Hsieh相反，他们认为薄液膜的蒸发换热并不占主导地位，固液气之间的对流换热是喷雾冷却换热中最主要的换热机理。 Shedd[8]通过理论分析将薄液膜结构分为两层湍流层，在上湍流层和下湍流层分别研究固液气之间的对流换热，并认为液膜的结构和物性对喷雾制冷系统换热性能起到决定性作用。