多孔表面相变传热及其应用实例-Vapor Chamber

论文摘要

利用多孔表面强化相变传热及相应的生产工艺,广泛存在于各种实际工农业生产、国防军事科技、生物医学技术和其它现代高新技术领域。多孔薄层内或是多孔表面的相变传递过程,因本身结构的特殊性,具有许多非同寻常的重要特征。必须对多孔薄层内的相变传递过程的基本现象,以及相应的物理机制进行深入研究,探索一般性的规律,才能在工程实践上解决问题,更好地利用多孔层表面这类功能结构来实现强化传热。通过与光滑表面进行对比实验,本文对多孔表面的沸腾形态和传热机理有了进一步深刻认识。无论是自热对流阶段伴随着气泡初始核化,或是孤立气泡沸腾阶段气泡数量的极大增加,还是汽液逆流沸腾阶段剧烈的汽液两相流动,相对于光滑表面,多孔表面池沸腾都展现出独特的现象和对强化换热的重要性。多孔表面对换热强化包括:降低壁面过热、提高换热系数、提高CHF和均匀壁面温度,其内在的物理机制牵涉到核化点密度增加,汽液剪切力增强,毛细芯的有效抽吸,汽液界面临界长度减小等众多方面,受到多孔吸液芯结构参数的以及其他条件的控制。作为多孔表面强化换热的重要工程实例——Vapor Chamber,具有当量导热系数大,蒸发端底部的均温特性好,减轻散热器重量等优点,是一种颇具潜力的冷却设计形式。不同热流密度条件下Vapor Chamber的蒸发端和冷凝端相变行为有着不同的特点,低热流密度下蒸发端的蒸发传热和冷凝端的均匀稳定液膜分布相匹配,高热流密度下蒸发端剧烈的汽液逆流沸腾或者小气泡喷溅蒸气流伴随的是冷凝端液膜厚度起伏和大液滴的出现。Vapor Chamber蒸发端与冷凝端的热阻在沸腾阶段随热流密度的增加仍然在减小,再次验证了多孔吸液芯表面发生沸腾并非达到传热极限,汽液逆流沸腾能够极大地强化换热。作为工程实际应用,通过采用品质因数高、综合性能好的吸液芯,尽可能减小蒸气腔高度,适量充液等措施可以极大地提高Vapor Chamber的传热性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号对照表
• 第1章 引言
• 1.1 背景及意义
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 多孔介质传热传质模型
• 1.2.2 多孔表面池沸腾的研究
• 1.2.3 平板热管内的流动和传热研究
• 1.2.4 已有研究的不足
• 1.3 论文内容
• 第2章 实验设计
• 2.1 多孔介质相变传热实验
• 2.1.1 实验系统
• 2.1.2 可视化实验段
• 2.1.3 数据采集系统
• 2.1.4 数据处理
• 2.1.5 不确定性分析
• 2.2 VAPOR CHAMBER 传热特性实验
• 2.2.1 实验系统
• 2.2.2 Vapor Chamber 结构设计
• 2.2.3 数据采集系统
• 2.2.4 数据处理
• 2.2.5 不确定性分析
• 2.3 小结
• 第3章 多孔表面蒸发/沸腾现象
• 3.1 实验步骤
• 3.2 池沸腾现象
• 3.2.1 自然对流阶段
• 3.2.2 孤立气泡沸腾
• 3.2.3 汽液逆流沸腾阶段
• 3.3 沸腾曲线
• 3.4 底板温度特性
• 3.5 刻槽参数的影响
• 3.5.1 参数对沸腾现象的影响
• 3.5.2 参数对壁面过热度和换热系数的影响
• 3.6 丝网层数的影响
• 3.6.1 丝网层数对沸腾现象的影响
• 3.6.2 丝网层数对壁面过热度和换热系数的影响
• 3.7 小结
• 第4章 EQUATIONEQUATION 多孔表面相变传热分析
• 4.1 相变传热形态
• 4.1.1 蒸发传热
• 4.1.2 沸腾起始
• 4.1.3 汽液逆流沸腾
• 4.2 传热极限理论分析
• 4.2.1 毛细极限
• 4.2.2 水力极限
• 4.3 传热极限预测
• 4.3.1 计算参数
• 4.3.2 结果分析
• 4.4 实验结果与理论值的比较
• 4.5 小结
• 第5章 VAPOR CHAMBER 传热特性实验
• 5.1 实验步骤
• 5.2 基本现象
• 4W/cm 2 时的相变特征'>5.2.1 q′′=2⁴W/cm 2 时的相变特征
• 5.2.2 q′′=6W/cm 2 时的相变特征
• 5.2.3 q′′=8W/cm 2 时的相变特征
• 5.2.4 q′′=10W/cm 2 时的相变特征
• 5.3 VAPOR CHAMBER 传热性能分析
• 5.4 不同VAPOR CHAMBER 比较
• 5.4.1 2# Vapor Chamber 的结构
• 5.4.2 测试系统
• 5.4.3 热电偶的布置
• 5.4.4 测试步骤简述
• 5.4.5 测试结果
• 5.4.6 讨论
• 5.4.7 对工程实践的建议
• 5.5 小结
• 第6章 主要结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果