微通道內(nèi)穩(wěn)定流動(dòng)沸騰的換熱特性及沸騰不穩(wěn)定性研究.pdf

1、微電子制造技術(shù)的飛速發(fā)展極大推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)朝微型化方向邁進(jìn)。近年來(lái),隨著微制動(dòng)器、微電子芯片熱沉和微反應(yīng)器等一系列芯片微系統(tǒng)的相繼出現(xiàn),微尺度下的流體流動(dòng)與傳熱問(wèn)題越來(lái)越受到微制造業(yè)的重視。本研究論文以水為工質(zhì),對(duì)微通道內(nèi)的沸騰不穩(wěn)定性和穩(wěn)定流動(dòng)沸騰的換熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和理論分析,以期豐富微尺度換熱領(lǐng)域的研究?jī)?nèi)容。
　　 本文采用標(biāo)準(zhǔn)的微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)加工工藝,設(shè)計(jì)并加工了兩大類微通道熱沉。第一類包括三種不同入口/

2、出口結(jié)構(gòu)的硅基平行微通道熱沉；第二類包括兩種不同入口/出口結(jié)構(gòu)和加熱方式的玻璃基單根微通道熱沉。建立了一整套適用于研究微通道內(nèi)單相/兩相流動(dòng)換熱特性的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。主要研究?jī)?nèi)容包括:
　　 1.硅基平行微通道內(nèi)沸騰不穩(wěn)定性研究。(1)提出劃分微通道內(nèi)穩(wěn)定流動(dòng)沸騰區(qū)和不穩(wěn)定流動(dòng)沸騰區(qū)的參數(shù)為出口熱平衡干度,并用該參數(shù)比較了不同入口/出口結(jié)構(gòu)的微通道熱沉內(nèi)的沸騰不穩(wěn)定性。(2)發(fā)現(xiàn)不同入口/出口的微通道熱沉設(shè)計(jì)方式會(huì)直接影響流動(dòng)沸騰不穩(wěn)

3、定性:水平入口/出口設(shè)計(jì)方式能降低不穩(wěn)定性沸騰導(dǎo)致的溫度和壓力波動(dòng)振幅,減小微通道中的流動(dòng)沸騰不穩(wěn)定性；通道入口加工限制裝置的設(shè)計(jì)方式能抑制汽泡往上游膨脹(返流現(xiàn)象)和通道問(wèn)的相互作用,得到穩(wěn)定的流動(dòng)沸騰,推遲因溫度大幅度波動(dòng)導(dǎo)致的臨界熱流出現(xiàn)。(3)研究了微通道內(nèi)穩(wěn)定沸騰換熱系數(shù),發(fā)現(xiàn)微通道內(nèi)局部沸騰換熱系數(shù)的峰值一般出現(xiàn)在低干度的泡狀流區(qū)域,明顯小于常規(guī)通道內(nèi)換熱系數(shù)峰值出現(xiàn)的范圍。
　　 2.可忽略軸向?qū)岬膯胃⑼ǖ纼?nèi)流

4、動(dòng)換熱特性研究。(1)實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果表明Navier-Stokcs方程和能量方程仍然適用于研究水力直徑為155μm的微通道內(nèi)單相強(qiáng)制對(duì)流換熱。(2)在水平入口/出口的單根微通道熱沉內(nèi),仍然存在不穩(wěn)定沸騰模式,并且伴有長(zhǎng)周期、同相位的溫度和壓力波動(dòng)。可以用出口熱平衡干度來(lái)劃分穩(wěn)定沸騰區(qū)和不穩(wěn)定沸騰區(qū)。(3)考慮到通道截面形狀和局部干涸現(xiàn)象的影響,推導(dǎo)出了預(yù)測(cè)矩形截面微通道內(nèi)飽和流動(dòng)沸騰換熱系數(shù)的四區(qū)模型。該模型成功預(yù)測(cè)了矩形截面微通道內(nèi)的

5、沸騰換熱系數(shù)隨干度先增加后減小的趨勢(shì),預(yù)測(cè)值的平均絕對(duì)誤差為16.2％。
　　 3.微通道內(nèi)微汽泡噴射沸騰現(xiàn)象研究。(1)在高熱流密度和低入口水溫下,微通道內(nèi)出現(xiàn)了微汽泡噴射沸騰現(xiàn)象。微汽泡噴射沸騰具有強(qiáng)大的換熱效果(在質(zhì)量流率為883.8 kg/m2s和入口水溫為20℃條件下,熱流密度可以達(dá)到14.41 MW/m2),使加熱器表面溫度沒(méi)有大幅度升高。因此針對(duì)高熱流密度微電子芯片,微汽泡噴射沸騰是一種非常有效的冷卻方式。(2)高