复合结构表面上液氮喷雾蒸发传热特性的实验研究

作     者：冯帅飞 

作者单位：大连海事大学 

学位级别：硕士

导师姓名：苏风民

授予年度：2020年

学科分类：080701[工学-工程热物理] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：喷雾冷却 复合结构 非稳态传热 液氮 

摘      要：随着微电子行业、航空航天工业、激光医疗等领域的发展,高集成的电子元件以及大功率设备产生的大量热量严重影响着设备的性能与安全,因此寻求高效、安全的高热流密度散热方式成为关键问题。喷雾冷却因其传热温差需求小、工质需求少、冷却效率高等优点逐渐取代传统的散热方式,在高热流密度散热领域受到了国内外广大学者的高度关注。本文通过液氮喷雾冷却实验台,分析了在大过热度下液氮喷雾冷却的瞬态蒸发传热特性,研究了改变换热表面的结构对喷雾冷却性能的影响。本文首先利用光纤激光刻蚀机制作出了不同微柱大小的方形微柱结构表面。通过丝网烧结的方法,在原有方形微柱结构表面的基础上,进一步烧结不同目数以及层数的铜网,制备出复合结构表面,并对其微结构表面形态进行了表征。另外,搭建了液氮喷雾蒸发冷却实验平台,对复合结构表面上的液氮蒸发传热特性进行了实验研究,并分析了过热度、微柱大小、铜网目数以及层数等对液氮在复合结构表面上蒸发传热特性的影响。研究中,采用集总热容法对总传热热阻、热流密度、液氮蒸发传热系数进行计算,并且分析了其变化规律。实验结果表明:复合结构表面比方形微柱结构表面以及丝网烧结结构表面有更快的平均降温速率和更高的液氮蒸发传热系数。另外,随着方形微柱尺寸的减小,方形微柱结构表面的平均降温速率升高,蒸发传热系数增大。铜网的加入,增强了表面的润湿性,促进了液氮的薄液膜区的形成,提高了液氮的蒸发传热系数。随着铜网目数的不断增加,其强化效果不断提升。烧结多层铜网,可以进一步减小孔隙结构,增强对液氮的毛细力,提高液氮的蒸发传热系数,强化喷雾冷却性能。随着过热度的减小,复合结构表面的热流密度以及液氮蒸发传热系数呈先增加后减小的趋势。