规则多孔铜气孔结构对其传热性能的影响

论文摘要

在氢气或氢气和氩气的混合高压气氛中,采用定向凝固技术制备的规则多孔铜材料,具有定向排布长而直的气孔,其高的渗透性和大的比表面积,可以极大增加流体与热沉材料的接触面积,提高散热效果。为此,论文以多孔铜基金属材料在信息技术、航空航天领域广泛应用的热沉为背景,开展了多孔铜的制备及相关热学性能方面的基础研究。结果如下：采用铸型下移定向凝固法制备了不同气孔率、不同孔径且气孔分布较均匀的规则多孔铜铸锭。对不同气孔率沿平行和垂直气孔方向的热膨胀系数(CTE)研究表明：CTE随温度的升高先急剧增大后趋于稳定值。温度在40～130℃,气孔中存在闭孔时,CTE值随气孔率的增大而缓慢增大,且比纯铜时略大；当气孔主要以通孔形式存在时,气孔率与孔径的比值越大,CTE值越低；温度大于130℃时,规则多孔铜的CTE值与纯铜的几乎相同,气孔的存在对铜的膨胀无明显影响,可以作为热沉用材料。关于流体流经实验件流动特性的研究表明：在相同的气孔率下,较小的气孔尺寸会产生较大的压差；气孔率和孔径对流动的影响随流量的增加而变大。采用圆管内层流和固体填充层内流动均可应用于规则多孔铜翅片结构,雷诺数在30前后时,摩擦阻力系数随Re数的变化关系出现转变,研究此区域的流体流动特性非常必要。关于不同实验件传热特性的研究表明：同一气孔率下,定流速时,翅片气孔孔径越小,测得的传热系数值越大；定直径定流速时,翅片气孔率大的试样对应的传热系数值较大。当气孔率为46.8%,平均孔的直径大小为0.416mm,冷却水流速为0.037m/s时,测得的传热系数达到最大值32000W/(m2K),是传统管翅式热沉的4倍。雷诺数对热沉传热性能的影响较显著,热沉的热阻随泵功率的增加先急剧降低后趋于平稳,当泵功率达到一定值时,依靠增大泵功率已不能有效的提高传热效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 多孔金属材料国内外研究现状
• 1.1.1 多孔金属材料的制备方法
• 1.1.2 多孔金属材料的应用
• 1.1.3 金属-气体共晶定向凝固制备工艺及原理
• 1.1.4 金属-气体共晶定向凝固装置
• 1.1.5 规则多孔金属的性能特点及潜在应用
• 1.2 热沉相关领域国内外研究现状
• 1.2.1 管翅式热沉的发展及现状
• 1.2.2 微通道热沉
• 1.2.3 热管散热技术
• 1.2.4 热沉用材料
• 1.3 论文选题背景及研究意义
• 1.4 论文主要研究内容
• 第二章 实验方法及过程
• 2.1 规则多孔铜的制备
• 2.1.1 金属-气体共晶定向凝固实验装置
• 2.1.2 规则多孔铜的制备工艺过程
• 2.1.3 试样的处理
• 2.1.4 试样参数的表征
• 2.2 热膨胀实验
• 2.2.1 实验工艺
• 2.2.2 试样的选取
• 2.3 规则多孔铜翅片结构热沉传热性能实验
• 2.3.1 实验装置
• 2.3.2 实验段主体结构
• 2.3.3 实验段各部件的加工
• 2.3.4 实验测量参数
• 2.3.5 实验过程
• 2.4 本章小结
• 第三章 规则多孔铜的热膨胀系数考察
• 3.1 热膨胀机理及理论预测
• 3.1.1 膨胀机理
• 3.1.2 热膨胀系数的理论预测
• 3.2 实验测量结果
• 3.2.1 不同气孔率下的热膨胀系数
• 3.2.2 不同气孔方向下的热膨胀系数
• 3.3 结果分析及讨论
• 3.3.1 规则多孔铜平行气孔方向上等效热膨胀系数的讨论
• 3.3.2 规则多孔铜垂直气孔方向上的等效热膨胀系数的讨论
• 3.4 本章小结
• 第四章 规则多孔铜翅片结构热沉传热性能分析
• 4.1 流体流经多孔铜翅片结构热沉的流动特性
• 4.1.1 实验数据的处理
• 4.1.2 流动特性分析
• 4.1.3 压降与流量的关系
• 4.1.4 摩擦阻力系数的对比分析
• 4.1.5 采用圆管内流动的结果分析
• 4.1.6 采用固体填充层内流动的结果分析
• 4.2 流体流经多孔铜翅片结构热沉的传热特性分析
• 4.2.1 理论假设条件
• 4.2.2 翅片结构模型的传热过程分析
• 4.2.3 热阻分析
• 4.2.4 实验数据的处理
• 4.2.5 实验结果分析
• 4.2.6 实验测量传热系数与理论数据的对比分析
• 4.3 翅片个数对流动特性和传热特性的影响
• 4.4 实验误差分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录