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喷雾冷却换热特性实验研究及其系统仿真

作　者: 刘期聂
导　师: 程文龙
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 工程热物理
关键词: 喷雾冷却喷雾特性壁面温度分布参数影响 LabVIEW 系统模拟
分类号: TK124
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

喷雾冷却是伴随电子集成技术发展、高功率设备应用提出的一种新型换热方式。相比传统冷却方式,由于具有换热能力高、工质与热表面温差小、工质需求少、没有沸腾滞后、结构紧凑等优点,喷雾冷却在高热流密度散热方面将具有广阔的应用前景。然而,喷雾冷却的换热机理比较复杂,国内外相关方面的研究迄今处于初级阶段。本文的工作就是在实验的基础上研究喷雾冷却中参数对换热的影响,并分析其换热机理,同时对喷雾冷却换热系统进行系统模拟仿真。喷雾特性对喷雾冷却具有重要影响,本文首先利用相位激光多普勒测速仪研究了两种不同张角喷嘴的喷雾特性。结果表明,实心压力旋流雾化喷嘴的喷雾参数在空间上的分布是不均匀的:在喷雾区的径向截面上,由中心向外可将喷雾区分为空心回流区、主流区、喷雾边缘区,液滴参数表现为主流区大、而空心回流区与边缘区极少。为了便于参数调节,观察各种实验现象,分析各参数对喷雾特性的影响,本文建立了开放式的实验平台。利用数码摄像及红外成像技术,对加热面及其温度分布进行了可视化研究;并得出了喷雾高度、入口压力、喷雾张角、入口水温、入射角度等参数对喷雾冷却换热特性的影响。结果表明:在喷雾冷却过程中,发热壁面存在着较大的温度分布不均匀性,并且这种不均匀性与实验条件具有一定的关联性;通常认为壁面100%被喷雾液滴覆盖时喷雾冷却换热效果最好,但是本文研究发现,喷嘴出口距离较小时换热效果较好,这和传统观念是不同的。在上述平台基础上,建立了喷雾冷却的封闭式实验平台,利用该平台可以更真实地模拟实用条件下喷雾冷却的换热特性。实验研究结果表明:降低喷雾腔压力可大幅增强喷雾冷却的换热能力,系统压力为7.5～8.1kPa时,其换热性能与开放环境下(1atm)的换热对比,相同壁温下的换热量增加了70%;系统压力从2.5kPa增加到100kPa时,换热能力呈指数下降;添加剂硫酸钠溶液对喷雾冷却换热具有一定的增强作用。在对喷雾冷却实验数据和喷雾冷却传热机理分析的基础上,采用LabVIEW建立了封闭式喷雾冷却系统的整体仿真模型。仿真结果显示:在两相换热区间内,当加热功率增大时,喷雾腔温度、壁面温度、换热系数、蒸发量都随之增大;壁面换热进入核态沸腾阶段后,热流密度与换热能力都急剧增大;在热流密度一定的情况下,提高冷凝器冷凝水流量可降低系统饱和温度,增强喷雾冷却换热能力。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-16
  1.1 研究背景  10
  1.2 研究进展  10-15
    1.2.1 换热机理  11-12
    1.2.2 临界热流密度（CHF）  12-13
    1.2.3 数值理论模型及关联式拟合  13
    1.2.4 换热的主要影响因素  13-14
    1.2.5 重力对换热的影响  14-15
  1.3 本文的工作  15-16
第二章喷嘴喷雾特性的测量  16-26
  2.1 压力旋流雾化喷嘴的喷雾流场  16-17
  2.2 喷雾特性的测量  17-23
    2.2.1 张角 30°喷嘴的喷雾特性  19-22
    2.2.2 张角60°喷嘴的喷雾特性  22-23
  2.3 流量/入口压力对喷雾特性的影响  23-24
  2.4 本章小节  24-26
第三章开式喷雾冷却系统的实验研究  26-50
  3.1 实验系统  26-31
    3.1.1 实验台  27-28
    3.1.2 加热器  28-29
    3.1.3 其它设备  29
    3.1.4 测量系统  29-31
  3.2 实验方法  31-35
    3.2.1 实验步骤  31
    3.2.2 实验参数的定义与计算  31-32
    3.2.3 壁面温度分布的非均匀性  32-35
  3.3 喷雾高度对换热的影响  35-39
  3.4 喷雾张角对换热的影响  39-41
  3.5 入口压力对换热的影响  41-43
  3.6 入口温度对换热的影响  43-44
  3.7 入射角度对换热的影响  44-50
    3.7.1 比较方法  45-46
    3.7.2 最佳入射位置  46-47
    3.7.3 倾斜喷雾与垂直喷雾的对比  47-50
第四章闭式喷雾冷却系统的实验研究  50-58
  4.1 闭式实验系统概述  50-53
  4.2 实验结果分析  53-57
    4.2.1 系统压力对换热性能的影响  53-56
    4.2.2 添加剂对换热性能的影响  56-57
  4.3 本章小节  57-58
第五章基于 LabVIEW 的喷雾冷却系统仿真  58-74
  5.1 LabVIEW 简介  58-59
  5.2 模拟简述  59-60
  5.3 系统的数学模型  60-70
    5.3.1 发热壁面的换热模型  60-61
    5.3.2 蒸汽冷凝器的数学模型  61-64
    5.3.3 液体冷却器的建模  64-68
    5.3.4 系统仿真建模  68-70
  5.4 模拟结果分析  70-74
    5.4.1 系统运行特性  70-71
    5.4.2 蒸汽冷凝器流量对系统运行的影响  71-74
第六章总结与展望  74-76
  6.1 本文总结  74-75
  6.2 工作展望  75-76
参考文献  76-80
攻读学位期间发表的学术论文与取得的研究成果  80-81
致谢  81

喷雾冷却换热特性实验研究及其系统仿真

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