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开放式毛细微槽群中汽泡动力学行为的可视化研究

作　者: 武利媛
导　师: 胡学功
学　校: 中国科学院研究生院（工程热物理研究所）
专　业: 热能工程
关键词: 毛细微槽汽泡动力学行为可视化饱和沸腾过冷沸腾
分类号: TK124
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 71次
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内容摘要

在较高负荷下,毛细微槽群热沉单元存在有三相接触线附近薄液膜的高强度蒸发以及厚液膜区域液体核态沸腾的复合相变换热机制,使其具有优良的换热特性,可用来满足大功率激光器、微电子器件以及高性能计算机芯片的冷却需求。本文旨在通过对竖直放置的开放式毛细微槽群中厚液膜区域液体核态沸腾过程进行实验研究,揭示毛细微槽群热沉中的汽泡动力学行为规律及其高强度沸腾相变换热机理,从而为高性能微槽群相变散热系统的设计及发展提供依据。本文利用最高拍摄速率可达100000帧/秒的高速摄像仪,针对两种不同类型的毛细微槽群(一种为以透明的硼硅玻璃为基体的矩形毛细微槽群,一种为以硅为基体的三角形毛细微槽群)中的核态沸腾现象进行了可视化实验研究。实验过程以蒸馏水为工质,研究了液体饱和沸腾及过冷沸腾两种情况下毛细微槽内的各种汽泡动力学行为,包括汽泡生长模式、汽泡生长曲线、汽泡生命周期、汽泡脱离及汽泡间的相互影响。研究发现,热流密度、毛细微槽几何尺寸、微槽基体材料及截面形状、液体过冷度等因素对微槽内的汽泡动力学行为有重要的影响。毛细微槽内存在四种基本的汽泡生长模式:即单个汽泡在单槽内的生长;单个汽泡跨槽生长;单一槽内相邻汽泡的纵向合并;相邻槽内汽泡的横向合并。矩形微槽内的汽泡动力学行为较多地受到几何尺寸与热流密度的影响,而三角形微槽内的汽泡生长受几何尺寸与热流密度的影响不大。通过多角度可视化拍摄,本文确立了单个汽泡生长的体积模型,实现了对汽泡生长过程的量化分析,并着重对汽泡脱离壁面现象进行了研究,研究发现在饱和沸腾条件下,单槽内单个汽泡生长基本无脱离壁面现象,仅在受到相邻汽泡或相邻槽道影响时才会被迫脱离壁面,存在汽泡向相邻槽道迁移现象;而过冷沸腾时则同时存在汽泡脱离壁面和不脱离两种现象。根据可视化实验结果,过冷沸腾过程中小尺寸汽泡的比例增大,汽化核心等待时间大大延长,本文还对矩形毛细微槽内过冷沸腾时的两相流流型进行了分析,发现微槽内主要存在泡状流、过渡流、柱塞流、扰动流四种流型。同时,本文分别对饱和沸腾和过冷沸腾条件下毛细微槽群热沉单元的相变换热特性进行了研究,实验研究结果表明,微槽的几何尺寸、基体材料、液体过冷度等对相变换热特性存在很大影响。在本文的实验范围内,对于矩形毛细微槽,几何尺寸为宽0.2mm深0.4mm微槽群相变换热性能最好。液体过冷度对沸腾起始点没有造成明显影响。对于具有相同深宽比的矩形微槽,几何尺寸越大,过冷度对换热特性的影响越明显;对于深宽比较小的微槽,存在适合的过冷度使换热特性达到最佳。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-11
第1章绪论  11-25
  1.1 任务背景和实际意义  11-13
  1.2 国内外研究发展现状  13-24
    1.2.1 微槽群热沉研究状况  13-16
    1.2.2 汽泡动力学研究现状  16-21
    1.2.3 微汽泡动力学行为的相关研究  21-23
    1.2.4 现有研究工作的不足  23-24
  1.3 本文的研究目的和主要内容  24-25
    1.3.1 研究目的  24
    1.3.2 主要内容  24-25
第2章实验系统和实验方法简介  25-32
  2.1 实验系统  25-26
  2.2 微槽群实验件和实验方法  26-30
  2.3 图像处理方法  30-31
  2.4 本章小结  31-32
第3章毛细微槽群饱和沸腾汽泡动力学行为和换热特性研究  32-63
  3.1 毛细微槽群饱和沸腾景象  32-34
  3.2 饱和沸腾汽泡生长模式  34-42
    3.2.1 矩形微槽汽泡生长模式  34-40
    3.2.2 三角形微槽汽泡生长模式  40-42
  3.3 单个汽泡生长曲线  42-54
    3.3.1 单个汽泡体积模型  42-45
    3.3.2 单个独立生长汽泡生长曲线  45-53
    3.3.3 汽泡体积周期性收缩现象  53-54
  3.4 汽泡生命周期  54-55
  3.5 汽泡的脱离  55-58
  3.6 饱和沸腾相变换热特性  58-62
  3.7 本章小结  62-63
第4章毛细微槽群过冷沸腾汽泡动力学行为和传热特性研究  63-84
  4.1 毛细微槽群内的沸腾景象  63-66
    4.1.1 矩形毛细微槽群热沉中的沸腾景象  63-65
    4.1.2 三角形毛细微槽群热沉中的沸腾景象  65-66
  4.2 矩形毛细微槽群过冷沸腾流型分析  66-68
  4.3 毛细微槽群内的汽泡动力学行为  68-78
    4.3.1 单个汽泡生长曲线  68-74
    4.3.2 等待时间  74-75
    4.3.3 汽泡的脱离  75-78
  4.4 毛细微槽的相变换热特性  78-83
  4.5 本章小结  83-84
第5章结论与展望  84-87
  5.1 本文的研究结论  84-85
  5.2 本文的创新点  85-86
  5.3 对未来工作的展望  86-87
主要符号表  87-88
参考文献  88-93
攻读硕士学位期间发表的论文目录  93-94
致谢  94

开放式毛细微槽群中汽泡动力学行为的可视化研究

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