微通道换热器喷雾冷却系统的数值模拟及参数优化研究

作     者：王浩 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘昕晖

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：喷雾冷却 微通道换热器 数值模拟 两相传热 

摘      要：在科技迅猛发展的当下,设备性能的不断升级对换热技术提出了前所未有的高要求。在工程机械领域,高效换热技术的应用对于有效冷却热源、减少能源损耗具有重要作用。目前,微通道技术与喷雾冷却技术因其出色的换热性能而得到广泛应用。微通道换热器以其较高的面积体积比和紧凑的结构设计,在有限的空间内实现了高效的热量交换;而喷雾冷却技术则凭借其高换热效率,尤其适用于冷却高热流密度的热源。本文将微通道换热器融入喷雾冷却系统中,构建了一种新型的微通道换热器喷雾冷却系统,并以计算流体力学为理论基础,借助Fluent软件,分别构建了两种喷雾冷却系统的数值模型,搭建了微通道换热器喷雾冷却系统的试验台并进行了正交实验,将数值模拟与正交实验结果进行对比分析,深入探讨了不同因素对冷却系统性能的影响程度及其作用机理。主要研究内容与结果如下: 首先,基于欧拉-拉格朗日的方法,使用Fluent软件构建了带流动热流体的单层微通道换热器喷雾冷却系统和双喷嘴多层平行流微通道换热器喷雾冷却系统的两相传热数值模型,并通过了网格无关性和可靠性验证,确保了模型网格准确可靠。 其次,基于带流动热流体的单层微通道换热器喷雾冷却系统的数值模型,探讨了喷嘴高度、喷雾流量及微通道换热器入口温度等状态参数对喷雾冷却系统中传热和流动过程的影响,通过在数值模型中调整各参数的具体数值,详细分析了各参数变化对冷却性能的作用机制,发现在一定范围内,单层微通道换热器喷雾冷却系统在两相区下的冷却效果随喷雾流量和进口温度的增加而增加,随喷嘴高度的增加而降低。 同时,在深入研究单层微通道换热器喷雾冷却系统的基础上,进一步分析了多层平行流微通道换热器喷雾冷却系统的传热特性,针对喷嘴间距和喷嘴角度对于换热器冷却性能的影响开展研究,通过使用恒温壁面下的数值模型,详细分析了在两相区内,当喷嘴间距和喷嘴角度变化时,喷雾直接作用面积的改变对于换热器的冷却性能的影响,发现随着喷嘴间距和喷嘴角度的增加,冷却性能均呈现出明显的先上升后下降的趋势,且无论何种参数组合下的微通道换热器冷却系统,其数值模拟结果均是自然对流状态下的20倍以上。 最后,基于前述两种数值模型的计算结果,确定了正交实验中的各因素水平,构建了微通道换热器喷雾冷却系统的实验装置,实验自变量包括喷嘴高度、喷雾流量、喷嘴角度、微通道换热器入口温度,因变量为换热器进出口温度差,并采用了极差分析和方差分析的方法对正交实验结果进行显著性评价,明确了各因素对换热器性能影响的显著程度,此外,基于S-N-K模型对实验数据进行事后比较,进一步探明了同一水平内各组别实验结果之间的差异程度,最终结果显示,喷嘴角度的改变对于结果的影响最大,在喷嘴角度等于60°时,取得最好的冷却效果,进出口温度差为13.1K,相对于正交实验中的最优组别冷却效果提升了2.34%。