闭式回路脉动热管运行性能的研究

论文摘要

近年来，随着电子工业朝高频率和高速度方向发展，使得单位容积的电子元件发热量快速增大。传统的散热技术面临着许多局限和挑战，严重制约了微电子工业的发展。寻求各种新的制冷技术已成为当前该领域的研究热点。脉动热管作为一种新型热管技术，具有结构简单、成本低廉和性能卓越的优点，已成功应用于电子元器件的冷却，并将在航空航天领域及其它地面应用中展示其广阔的应用前景。自其上世纪九十年代问世以来，得到了许多国家的科学界和工程界高度重视和青睐，相关的研究报道日益增多，包括各种理论与实验研究。脉动热管看似结构简单，但实际运行特性十分复杂，且与常规热管有很大不同。其内部存在许多错综复杂的气液两相流动和传热现象。有许多因素影响其流动和传热性能。本论文在综合分析现有文献的基础上，以闭式回路脉动热管为研究对象，对其进行了较为系统的实验和理论研究。具体工作包括以下三个方面：首先，对平板型闭式回路脉动热管进行可视化实验研究。设计和加工两块铝质平板型闭式多回路脉动热管，它们的外形尺寸相同，均为180×120×3mm~3。其中一块由40个矩形小槽构成，单槽横截面尺寸为2×2mm~2：另一块由66个矩形小槽构成，单槽横截面尺寸为1×1mm~2。采用酒精为工质。通过实验，系统观察平板脉动热管内部流型及流态转换规律，分析槽道尺寸及槽道数、运行角度、热流密度以及充液率等对平板型闭式回路脉动热管运行性能的影响规律。其次，对管状型闭式回路脉动热管的运行性能进行实验研究。设计和加工两个由40弯头组成的细铜管状闭式回路脉动热管。他们的整体结构和外形尺寸相同。不同的是，其中一根热管的内外径为1mm／2mm，而另一根热管的内外径为2mm／3mm。分别采用酒精、水和R123为工质。通过实验，分析比较管径大小、工质热物性及充液率大小、运行角度及热流密度等对管状型闭式回路脉动热管热力性能的影响规律。另外，作者还将圆管状脉动热管与具有矩形槽道的平板状脉动热管从结构及运行特性等进行了分析比较，结果表明，通道截面形状的不同会在一定程度上影响脉动热管的运行特性和传热性能。最后，在总结单回路闭式脉动热管实验研究的基础上，应用毛细管内气液两相流模型，对一个闭式单回路脉动热管内部流动进行初步的数值模拟研究。结果表明，模拟计算得出的流型基本能反映单回路系统在较高热负荷下稳定运行时的实际流型。同时，作者也意识到该模型存在的问题，为进一步的完善指明了方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 主要符号表
• 图表目录
• 第一章 绪论
• 1.1 电子设备的散热问题及其冷却技术的发展
• 1.2 热管技术及其在电子冷却中的应用
• 1.3 脉动热管技术
• 1.3.1 技术简介
• 1.3.2 应用前景
• 1.3.3 影响参数
• 第二章 文献综述
• 2.1 国外研究现状
• 2.1.1 实验研究
• 2.1.2 理论研究
• 2.2 国内研究现状
• 2.3 本论文的研究工作
• 第三章 平板型闭式回路脉动热管的可视化实验研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验装置及步骤
• 3.2.1 实验仪器及设备
• 3.2.2 试件
• 3.2.3 实验步骤
• 3.3 实验结果及讨论
• 3.3.1 安装角度及运行模式
• 3.3.2 刚充液完毕的流型图
• 3.3.3 工作区域的划分、流型及其传热机理
• 3.3.4 启动工况及最小启动热负荷
• 3.3.5 整个闭式回路内的单向循环流动
• 3.3.6 热力性能的评价指标
• 3.3.7 热力性能的影响参数
• 3.3.8 两块CLPHP板热力性能的比较
• 3.4 小结
• 第四章 管状型闭式回路脉动热管运行性能的实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验装置及步骤
• 4.3 实验结果及讨论
• 4.3.1 热力性能的评价指标
• 4.3.2 工质热物性对脉动热管运行性能的影响
• 4.3.3 热负荷、倾斜角及充液率对运行性能的影响
• 4.3.4 管直径大小对运行特性的影响
• 4.3.5 管状与平板状脉动热管的结构及其运行特性的比较
• 4.4 小结
• 第五章 单回路闭式脉动热管内气液两相流动的实验与数值模拟研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验研究
• 5.2.1 实验装置
• 5.2.2 实验结果
• 5.3 气液两相流模型
• 5.3.1 基本方程
• 5.3.2 均相模型
• 5.3.3 分相模型
• 5.3.4 传热系数
• 5.3.5 程序验证
• 5.4 数值模拟研究
• 5.4.1 模型分析与简化处理
• 5.4.2 结果及讨论
• 5.5 小结
• 第六章 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 参考文献
• 附录
• 附录A 水、酒精及R123的主要热物性参数随温度变化的关系图
• 附录B 闭式单回路脉动热管内部气液两相流动的模拟计算程序
• 攻读博士学位期间发表的学术论文目录
• 致谢