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    《江蘇大學》 2019年
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    微小型脈動熱管啟動及熱力特性研究

    孫芹  
    【摘要】:微小型脈動熱管因其具備卓越的傳熱性能和良好的集成化優點,在微電子芯片冷卻等領域具有廣泛的應用前景,近年來受到國內外學者的密切關注。脈動熱管內工質的汽/液兩相流動極為復雜,且隨著特征尺度的減小,許多相關基礎性問題亟待深入研究。本論文的研究主要聚焦于微小型平板脈動熱管的啟動、傳熱和流動特性等方面,以提高啟動和傳熱性能為目標,開展了不同管徑下微小型脈動熱管的熱力特性及強化傳熱研究。首先,以微型脈動熱管啟動和傳熱特性為研究主題,研究了啟動類型以及各種參數對其流動傳熱性能的影響,并通過改進截面形式及引入人工核化點以改善啟動性能,達到強化傳熱的效果。其次,首次將燒結吸液芯結構引入脈動熱管中,采用可視化實驗對比分析了吸液芯結構平板脈動熱管和光滑平板脈動熱管的傳熱與流動特性。最后,建立了考慮接觸角滯后影響的脈動熱管汽/液塞振蕩理論模型,分析了固有頻率對工質振蕩特性的影響。通過上述研究,主要研究工作和創新成果如下:(1)開展了當量直徑約為356.6μm的梯形截面硅基微型脈動熱管的可視化實驗研究,發現通道內汽/液塞初始分布影響其啟動方式,首次提出核化和無核化兩種不同的啟動模式,發現核化啟動是微型脈動熱管進入全面振蕩的主要途徑。核化啟動下微型脈動熱管的啟動平均溫度可高達140℃,主要是由硅基通道表面非常光滑造成的。重力作用在微型熱管運行過程中難以忽略,豎直放置情況下熱管的傳熱性能明顯優于水平放置。隨著加熱功率的增大,水平和豎直放置的熱管傳熱性能均會不同程度的增強,最佳充液率約為40%。(2)設計制作了變截面結構微型脈動熱管,與等截面微型脈動熱管相比,變截面微型熱管的傳熱性能和均溫性均可得到顯著改善,且隨著充液率增大,優勢更加明顯。漸變截面通道能夠有效縮短熱管從啟動過渡至穩定振蕩的時長,并減小振蕩中出現的停滯現象。(3)將人工核化點結構引入微型脈動熱管中,有效地增強了熱管蒸發段的核化作用并降低其啟動溫度,使熱管內工質能夠更好地實現穩健自激振蕩。同時發現,帶人工核化點的微型脈動熱管啟動性能受充液率的影響:較低充液率下,變截面通道結構對啟動性能的影響因人工核化點的存在而被弱化;隨著充液率的增大,變截面通道結構對增強熱管內工質振蕩效果的作用得到加強。人工核化點和變截面結構的共同作用使啟動性能得到顯著改善,提高微型脈動熱管的傳熱性能和均溫性。(4)對比研究了不同結構微型脈動熱管內部汽-液兩相流動行為。發現脈動熱管穩定振蕩運行時,內部的主要流型為泡狀流、塞狀流和環狀/半環狀流,而噴射流的出現則受所選工質的影響。當選用HFE-7100時可觀察到噴射流,而當選擇R113或R141b時則較難出現該流型。另外,由于變截面通道或人工核化點結構能夠改善蒸發段的核化作用,因此兩者共同作用下微型脈動熱管內泡狀流和環狀/半環狀流出現的可能性及區域均大幅增加,從而驗證了其增強傳熱性能的功能。(5)首次設計制作了帶多孔吸液芯結構的平板脈動熱管。通過具有多孔表面和光滑表面平板脈動熱管的可視化和傳熱性能對比研究發現,多孔結構內部存在的大量內擴空穴能夠有效增大液體與壁面接觸面積,降低工質過熱度,可明顯提高脈動熱管的啟動/傳熱性能以及整體均溫性。然而,多孔吸液芯結構能夠削弱通道兩相流動不穩定性,導致加熱功率過高時蒸發段區域較易出現汽膜覆蓋集中的現象,從而降低熱管的傳熱極限,而對吸液芯結構的改進設計則有望解決該問題。(6)提出了考慮接觸角滯后作用的脈動熱管汽/液塞工質振蕩理論模型。計算了固有頻率對脈動熱管從啟動過渡至穩定振蕩過程中管內工質的位移和速度的影響,發現通道間的相互作用直接影響汽液塞振蕩,作用較小時汽液塞振蕩的位移呈現準正弦變化趨勢,反之則由于通道間的共振作用使若干次頻振蕩與主頻振蕩發生疊加,趨于混沌狀態。同時研究了不同參數(包括充液率、管徑、工質等)對熱管內汽液塞運動特性的影響。
    【學位授予單位】:江蘇大學
    【學位級別】:博士
    【學位授予年份】:2019
    【分類號】:TK172.4

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