您好,欢迎访问三七文档
当前位置:首页 > 商业/管理/HR > 管理学资料 > 阵列射流影响因素浅析
阵列射流影响因素浅析铁鹏,李强,宣益民(南京理工大学动力工程学院,江苏南京210094)(Email:max7076@163.com)摘要:微射流阵列冷却是利用射流冲击在驻点区能产生很薄的边界层来提高换热效率。本文研究的是高热流密度下的阵列射流换热,以去离子水作为工质对传热特性进行了实验研究。实验结果表明,阵列射流可以较好控制发热体表面温度,维持换热表面的热均匀性,并且可以获得很高的对流换热系数。关键词:阵列射流;热控制;强化传热1.引言电子技术的迅速发展,导致了热流密度的快速增加,尤其是近年来随着微机械加工技术的发展,电子设备小型化发展越来越快,随之带来的是更大的热流密度和局部高温。由于电子元件和电子电路的工作可靠性取决于其工作温度,温度过高或不均匀的温度分布会影响电子元件甚至是整个系统的工作性能和寿命,因此设备内的温升必须予以控制。良好的散热技术已经成为当前急需解决的关键技术,甚至成为限制电子设备急需发展的瓶颈问题[1]。此时,传统的风冷技术和强迫对流散热技术由于热控制能力不足已经不能满足需求[2],在这一形式下,射流冷却技术因能在局部产生极高的换热系数被认为是解决未来局部高热流密度冷却问题的首选技术之一[3]。微射流冲击冷却的原理是:流体通过一定形状的喷嘴(圆形或狭缝形)直接喷射到被冷却表面,由于流程短,流速高,在射流面上形成很大的压力,使射流冲击驻点区附近的边界层变得很薄,因而具有极高的换热效率[4],相比于常规的对流换热技术,射流冷却技术的冲击换热系数要高几倍甚至是一个数量级。射流冷却技术由于其优良的换热性能而得到了广泛的研究应用。张忠江等[4]对微射流技术在大功率半导体激光器中的应用进行了研究;陈伟等[5]研究了微射流冷却技术在大功率LED技术上的应用;Tzer-mingTeng和Sheng-ChungTzeng[6]研究了射流技术在多孔介质中的换热特性;RobertGMertens等[7]对晶体管中的喷射射流应用进行了研究。所有的研究均指出,射流冷却换热技术能够满足大功率元件的散热需求,展示了射流冷却广泛的应用领域和强大的热控制能力。现今,射流冷却技术的研究已经取得了不少成果。实验室内所做的实验大部分集中在湍流区域,在层流区域内理论上也获得了很好的进展。对于单孔射流,由于其冲击驻点面积较小,因此沿着圆环面方向其对流冷却效果急剧下降;而且在整个空间平面上,冲击表面的温度分布并不均匀,这对电子元件的工作是极其不利的。相对于单孔射流,阵列射流在拥有单孔射流优势的同时,还能够提高整个空间平面上的温度分布均匀性,其冲击表面上的冷却效果也得到了增强,换热均匀性有了很大的提升。同时阵列射流使用大量微孔代替原先的单孔,和单孔射流相比在冷却面积和流量上都有着很大的优势,可以移除更高的热流密度,满足电子元件散热的多方面要求。对于射流冷却,一般可分为淹没式射流和自由表面射流。目前,实验室对自由表面射流进行了大量的实验研究和模拟,并整理出了不少经验公式[8-12]。如Womac[13-14]等人在实验的基础上整理出努谢尔数与雷诺数、普朗特数,以及阵列射流孔间距和孔径比值的经验公式。目前实验室对射流冷却进行了大量的实验研究,尤其是对于单孔射流研究已经很多,但是对于阵列射流时射流孔之间的交感作用还没有统一的定论。同时,很多研究者实验中冲击高度均比较大,而根据TadhgS.O’Donovan和DarinaB.Murray[8]以及谢浩[12]的研究,这样的布置方式使得冲击高度对射流冷却的增强效果非常小,而根据Mudawar.I和Estes.K.A[15]的研究结果,最佳射流高度为工质刚好完全覆盖整个换热表面,冲击高度过高射流时工质会产生交叠。本文主要是研究在高热流密度,冲击间距较小的情况下的淹没式射流,射流孔孔径大小、布置方式、冲击角度等因素对阵列射流的影响,并在实验的基础上优化射流孔的布置,提高阵列射流的射流冷却效果。2.实验设备2.1实验系统实验以去离子水作为实验工质。实验系统如图1所示。去离子水在泵的泵送下,在平板换热器中进行换热降温至实验温度后进入射流设备中进行射流实验,射流后经过流量计和三通阀回到储液池完成循环。实验中,使用电热管加热提供热源,共使用W300电热管25根。经理论计算、模拟,以及实验中实际测量结果可知,实验中采用的保温效果较好,热损失控制在%5以内,忽略此部分的热损。增压泵储液池低温恒温池平板换热器差压计浮子流量计测试系统三通阀量筒流量控制阀数据采集仪电脑PPTQ图1实验系统图2.2射流设备实验射流设备剖面图如图2所示。去离子水由上盖板的入口进入分配室,通过射流板冲击在射流换热表面上,完成淹没式射流,带走发热体热量,后经过下支撑板的泄流孔排出。支撑板电热管支撑螺栓支撑主体保温层发热部件下支撑板O形圈分配室射流板上盖板热电偶插槽图2射流设备剖面图为避免实验中热流密度不均匀,如图3所示,射流设备发热体中电热管采用55的阵列布置方式,实验中使用一定数目的电热管进行实验,通过加/减电热管的数目来改变加热功率,在加热时使用对称布置的电热管来实验,以保证横截面热流的均匀性。电热管引线通过支撑板上的孔洞接出,接在集电器上,电热管由直流稳压电源提供电源。加热部件采用纯铜作为材料,使用硅酸铝保温。支撑板、下支撑板以及上盖板采用易加工的聚四氟乙烯制成。射流板和支撑主体采用不锈钢制作。图3加热部件实验中使用的射流板共有五块,其上射流孔布置方式如下表1所示。表1.五种结构的射流板布置射流角度(o)孔间距S(mm)孔径d(mm)射流板厚度H(mm)孔数n总面积(mm2)第一种结构907.01.03.02519.625第二种结构607.01.03.02519.625第三种结构907.01.53.02544.15625第四种结构907.02.03.02578.5第五种结构903.50.53.010019.625实验中以第一种结构的射流板为主要实验对象,实验中冲击间距均为mm3,冲击间距和射流孔孔径之比分别为3.0、3.0、2.0、1.5和6,孔间距和射流孔径之比分别为7、7、4.67、3.5和7。射流设备中去离子水从上盖板进入,经射流板对换热表面进行射流换热。下支撑板上对称开有两个泄流孔,去离子水射流换热后经这两个泄流孔排出。通过三通阀测量流量后回到储液池。去离子水流量的测量采用称量法。上盖板和射流板之间以及下支撑板和射流板之间使用O形圈隔水。冲击表面制作成23535mm的正方形,表面刻有凹槽,以增大换热面积,凹槽尺寸为35.05.035mm。铜块上在距离冲击表面mm32.4截面处开有热电偶的孔,使用热电偶测温;在该截面下mm00.3处的截面同样开有热电偶的孔,以此来观察温度分布的均匀性,并外推冲击表面的温度分布。2.3.计算方法在实验系统中均采用保温措施,实际测量得知保温效果良好,可认为加热热量全部被射流工质带走,则射流冲击表面的热流密度可由下式给出:secAUIq(1)式中,U和I为电压和电流,分别由电压表和电流表测得;secA为截面面积。加热部件上开有两排热电偶的孔,在实验中可分别得出这两个截面处的温度分布,并外推冲击表面的温度,如下式:CuwqTTsec(2)式中,wT为冲击表面温度,secT为上截面处温度;为冲击表面和上截面间距,其值为mm32.4;Cu为紫铜的导热系数。去离子水的温度取值为工质的进出口温度平均值2/)(outinTTT,所有相关参数均取此温度下的值。由牛顿冷却公式,射流冲击换热表面的平均对流换热系数为:2/)(2sec2outinTTaUITaUITqh(3)平均努谢尔数定义为:waterDhNu/(4)式中,D为射流孔的直径,water为去离子水的导热系数,按T来取。Re地定义为:DtnQuDv4Re(5)式中,vQ为收集的流体的体积,t为收集的时间,为去离子水的运动粘度,按T来取。2.4误差计算实验中主要测量参数包括:加热电流和电压,截面温度及流体进出口温度,换热面尺寸,流体流量等。其中,电流及电压采用精密电表测量,识别误差分别为A01.0和V1.0;温度采用K型热电偶测量,测量误差为Co1.0;尺寸测量误差为mm02.0;流体体积测量误差为ml2;时间测量误差为s1。根据表2所示误差传递公式计算得到各参数最大测量误差。表2.实验测量误差参数最大误差计算公式计算结果hE2222222222lnlnlnlnlnTaIUuThuhuahuIhuUh%635.1NuE222lnDhuDNuE%289.4ReE222222RelnRelnRelntDQcutuDuQv%403.63实验结果和分析3.1射流速度和对流换热系数的关系图4所示为射流孔径为mm0.1,射流角度为o90的射流板在实验中对流换热系数和射流速度之间的关系图。图中实验工况为:射流速度从sm/5.4提高至sm/1.12,工质进口水温为Co21。从图中可以看出,随着射流速度的提高,对流换热系数也随着显著提升。在其余条件确定的情况下,对流换热系数和射流速度之间存在着对应关系,射流速度的增长相应的带来对流换热系数的增长。从曲线可以看出,随着射流速度的增长,对流换热系数的增长幅度越来越小,有趋向于稳定值的趋势。进一步的研究实验数据发现,在不断的提高射流速度的情况下,对流换热系数开始趋向于某一固定值,不再随着射流速度的增长而增长。如在进口水温为Co14,工质射流速度分布从sm/11提高至sm/12时,相应的对流换热系数只从KmW2/47331提高至KmW2/47963,提升幅度远远小于较低射流速度时提升幅度。分析这一现象,其原因一方面是实验中射流冲击高度较小,较高的射流速度导致射流时工质射流不能得到充分发展,紊流度小;另一方面,较高的射流速度导致射流冲击在换热表面上后反弹现象比较严重,消弱了正向射流效果。在热流密度为2/270cmW时,图中射流速度由sm/7.4提高到sm/7.11,对流换热系数提高了%3.72,显示了对流换热系数对射流速度的依赖性。图4射流速度对对流换热系数的影响3.2不同射流孔布置方式对对流换热系数的影响图5工况为去离子水进口温度为Co21,实验热流密度为2/180cmw。图(a)中,在相同的射流速度下,孔径较大的射流板对流换热系数要比较小孔径的高。同时,在低流速下孔径较大的射流板在射流时对流换热系数随着射流速度的增长,其增长速度更快,远远高于孔径较小的孔径的射流板。这一现象的是因为在相同的射流速度和孔板布置方式下,孔径较大的射流板在射流时比孔径较小的射流板有着更大的流量,因而在相同的温度范围内能够带走更多的热量,从而表现为其具有更高的对流换热系数。但是对于大孔径射流,由于其射流时流量较大,因此将比小孔径的射流消耗更多的能量。(b)图中在射流速度相同的情况下,射流效果最好的为进行垂直射流的mm0.1的射流板,其次为进行垂直射流的mm5.0的射流板,最后是进行o60射流的mm0.1的射流板。在较低的流速下,进行垂直射流的mm0.1的射流板对流换热系数要比进行垂直射流的mm5.0的射流板高很多,如在射流速度为sm/0.6时,前者比后者高出%12.5;而在较高的射流速度下,两者之间几乎没有差别。这一现象说明,过于密集的小孔径射流其射流孔之间的交感作用已经开始影响射流效果,导致对流换热系数的下降。在本次实验中,由于流程较短,因此在较高的射流速度下,工质进行射流时不能得到充分的发展,紊流度小,导致孔径之间的交感作用减小,表现为对流换热系数有着较大的提高。在本次实验中,进行o60射流时由于不能完全覆盖冲击表面,以及在射流时工质之间的交叠影响,所以射流效果和其他相比要稍差。(c)图中射流效果最好的为孔径为mm0.1的射流板,其次为孔径为mm5.0的射流板,孔径为mm5.1的
本文标题:阵列射流影响因素浅析
链接地址:https://www.777doc.com/doc-1983466 .html