文档介绍：中国工程热物理学会学科类别(传热传质学)
学术会议论文编号:123592
汽泡合并对核态沸腾热流密度的影响
毕景良,柯道友
热科学与动力工程教育部重点实验室
清华大学热能工程系,北京,100084
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摘要:核态沸腾能产生很大的热流密度,而汽泡合并对热流密度的影响尤为显著。实验采用微加热片阵列,通过反馈控制电路,加热两组相隔一定位置的加热片并维持其温度为100℃。两组加热片上的汽泡长到一定大小后碰撞、合并为一个新汽泡并最终脱离。利用高速摄像技术从汽泡的底部对汽泡生长及合并现象进行观测,并用高速数据采集系统同步记录不同加热片热流密度。汽泡合并伴随着汽泡界面的变形及汽泡的滑移,显著增加了汽泡脱离频率和沸腾换热热流密度。
关键词:汽泡合并,核态沸腾,热流密度
引言
随着计算机速度和性能的快速增长以及航空航天领域对大功率器件的要求,电子器件的特征尺寸越来越小,器件的集成度也越来越高。电子元件的热流密度可高达100W/cm2甚至更高,在这种背景下,微尺度下的传热传质成为学科热点。传统的冷却方式不能满足这种微尺度、高热流密度的冷却方式,而沸腾换热由于其高换热系数而得到广泛关注。但由于沸腾现象的复杂性,现在还没有建立一个统一的理论模型来解释沸腾传热的主要机理。实验是研究沸腾换热机理的有效手段[1-4]。目前关于沸腾换热的研究多是关于单汽泡生长换热机理的研究,并且很难从微观上测量汽泡底部热流密度分布。本文采用两组微加热片,在100°C的壁面温度下,产生出两个相邻的汽泡并使之发生合并反应,用高速相机记录汽泡的动态行为,并同时测量汽泡下面不同位置加热片的热流密度,从而判断汽泡合并对汽泡底部不同位置热流密度的影响。
实验装置及方法
图1所示是本实验用到的加热片组合, mm×。每个加热片都被一个独立的反馈电路控制,电路用了惠斯通电桥平衡原理,通过桥路的反馈作用,能起到将加热片的温度控制在一个稳定值上的作用。实验共采用了两组加热片,B组和E组,B组里有10个加热片设为100℃,E组有12个加热片设为100℃。其余加热片均设为室温。如图1所示,加热温度为100℃的加热片以深色标出,加热温度为室温的加热片以浅色标出。加热片由钛丝组成,其阻值随温度呈近似线性变化,其关系式为:
式(1)
图1 加热片分布图
图2所示是本实验需要的沸腾实验装置。选用FC-72作为沸腾工质,其化学式为C6F14。选用这种液体的主要原因是它的润湿性很好,,另一个主要原因是它不导电,可以使每个加热片能够独立控制,而不会互相串联。汽泡的生长、D相机拍摄、记录,拍摄速度为1000帧/秒。加热片两端的电压由数据采集器USB1616-HS获得,其数据采集速率为1000Hz。热流密度数据由加热片两端的电压计算出来,公式是:
式(2)
图2 实验装置图
加热片产生的热量一部分用于沸腾换热,一部分用于自然对流换热,另一部分传导给周围的加热片及加热片阵列下的衬底。利用公式2计算出来的热流密度是总热流密度,为了得到沸腾传热热流密度,要计算出自然对流换热量和导热量。这一部