二维滞止区高速喷流沸腾临界热流密度的实验研究.doc

文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123005
二维滞止区高速喷流沸腾临界热流密度的实验研究
李元阳,刘振华
(上海交通大学机械与动力工程学院,上海 200240)
(Tel:[phone], Email:******@sjtu.)
摘要:本文对二维窄缝形喷嘴垂直喷流高速冲击冷却滞止区受热平板的饱和液体喷流沸腾临界热流密度(CHF)进行了实验研究,通过理论推导和实验数据的归纳处理,得到了一个无量纲半理论半经验型预示公式。同时也对高速过冷液体喷流沸腾CHF进行了实验研究,并推导出预示公式。对高速喷流时喷流速度和过冷度影响滞止区喷流沸腾CHF的机理进行了定量解释。本研究实验和理论分析重点对高速喷流条件下喷流速度和过冷度对滞止区高速喷流沸腾CHF的影响进行了深入讨论,从理论分析和实验验证两方面探讨了饱和或过冷液体二维喷流沸腾时CHF达到最大值所对应的最大喷流速度,以及所对应的CHF的极限值。研究发现,喷流速度对滞止区沸腾CHF产生2种影响;其一是喷流自身冲破蒸汽层,带来新鲜液体,总是起到强化CHF作用。其二是喷流速度引起壁面滞止压力,造成气液物性变化,其作用初期是增加CHF, 再而在滞止压接近1/3临界压力时转折为迅速降低CHF,由此可以推论喷流沸腾CHF将存在一个极限值。
关键词:喷流; 沸腾; 极限临界热流密度; 临界喷流速度
中图分类号:TK124 文献标识码:A
基金项目:国家自然科学基金项目(51076092)
作者简介:李元阳(1987-)男,博士生,传热学,E-mail:******@sjtu.
刘振华(1956-)男,教授,传热学,E-mail:******@sjtu.
0引言
随着电子技术的迅速发展,电子器件的高频、高速以及集成电路的密集和小型化,电子电路集成化程度和各种大功率电子器件功耗的增加,使得单位容积电子器件的发热量快速增大。加上电子器件或装置体积尺寸越来越小散热装置本身必须完成的散热要求也越来越高,电子电器设备的高效散热一直是现代传热技术的主要应用之一。
从传热学角度看,提高设备散热能力的基本技术指标就是提高临界热流密度或最大热流密度(最大散热功率和散热面积相关,只是一个工程设计目标,不是一个学术研究目标)。提高最大热流密度一直是传热学领域的一个重要研究目标,无论在基础研究还是在实际应用中都是一个活跃的前沿领域,具有一种指标性的意义。在各种稳态传热方式中,喷流沸腾是提高最大热流密度的最有效的传热形式,高过冷和高速液体喷流冲击传热面能冲破蒸汽层,实现较好的的固液接触,从而大大提高临界热流密度。大气压下水的池内沸腾的最大热流密度可以达到106W/m2数量级,而目前水的喷流沸腾实验的最大热流密度可以达到107W/m2数量级。
最大热流密度并不是可以无限增加的,在理论上存在着一个极限值。而目前在实验上达到的最大热流密度值离此极限值还有至少一个数量级的距离。根据Gambill和Lienhard
[1] 的热力学理论模型,极限热流密度可以近似的表达为公式(1),
(1)
这里,是热流密度的极限值,是蒸汽密度, 是蒸发潜热,R是气体常数,M是分子质量,T是饱和温度。
如果以水为工质(水也是目前已知的工质中极限热流密度最大的),×108W/m2.
目前,在稳态传热形式中,水的喷流沸腾实验的最大热流密度已经可以达到107W/m2数量级。对于喷流沸腾,以往大部分的研究集中在自由喷流(小喷嘴,大传热面)喷流沸腾传热特性方面[2-13]。涉及滞止喷流(喷嘴直径大于或等于传热面直径)沸腾传热的研究还比较少[14-26],且都是圆柱形喷流。作者之一[26]认为对于滞止区内的饱和液体的圆柱喷流稳态饱和液体CHF, 在传热面特性保持不变时,CHF的机理是传热面和气泡之间的液膜蒸发以及所产生的气液不稳定。并以Helmholtz 气液界面不稳定理论为理论解析基础对圆柱形垂直喷流提出了一个如下的半理论半经验计算关系式:
(2)
式中:是饱和液体的CHF;是流体的质量流量;是蒸发潜热;是液体的密度;是气液表面张力;是方程的系数,由实验决定。
对大多数工质,方程右边的无量纲数第一项可以忽略,式(2)可以写成;
(3)
作者之一对大气压下的低中速(V<10m/s)饱和液体圆柱喷流CHF进行了大量实验研究,拟合了方程系数。对于铜圆柱体传热表面上的饱和液体喷流沸腾,
(4)
在常压低速条件下,液体的物性可以作为常数处理。由此,对于饱和水喷流,上式可以进一步简化为,
(5)
上式中:的单位是[W/m2], V单位是[m/s], d的单位是[mm]。
式(5)十分简单明了的揭示了常压低速条件下喷流速