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近年來，隨著電力電子設備朝著微型化、高熱流密度方向發(fā)展，散熱問題已經(jīng)成為制約其發(fā)展的瓶頸。沸騰換熱技術作為一種非常有前景的電力電子設備冷卻技術，具有換熱效率高、工質(zhì)用量少、均溫性好等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應用到計算機、直流輸電、雷達、交通等領域。

顧國彪等指出，蒸發(fā)冷卻流動沸騰換熱技術具有結構簡單、體積小、低噪聲等優(yōu)點，電力電子設備采用該技術后，體積和重量均減少40%以上，工程造價降低40%以上。阮琳等將表貼式蒸發(fā)冷卻流動沸騰換熱技術應用到超級計算機上，液盒緊貼芯片表面，可實現(xiàn)芯片快速降溫，具有溫度分布均勻、芯片運行溫度低、延長使用壽命等優(yōu)點，該技術可以降低超級計算機6.12%的散熱能量消耗。

曹瑞等利用參數(shù)化建模方法建立蒸發(fā)冷卻關鍵部件——液盒的數(shù)學模型，對其內(nèi)部汽液流程及溫度場進行研究，并結合實驗結果最終確定了液盒結構。郭朝紅等對不同兩相流型轉變準則進行研究，并提出了適用汽輪機線棒內(nèi)工質(zhì)兩相流型的轉變準則。董海虹等人對不同回路高度對自循環(huán)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)傳熱性能的影響進行了研究。

在流動沸騰換熱基礎上通過肋陣強化傳熱，可以進一步提高電力電子設備冷卻能力。該技術迎合了其熱流密度快速增長的需要，正受到越來越多學者的關注。通過對相關學者的研究成果分析，發(fā)現(xiàn)肋陣結構有利于汽泡的成核、生長、擾動，強化流動沸騰換熱過程，同時增加了兩相壓降損失，使流動沸騰機理更加復雜，現(xiàn)有文獻中關于肋陣結構變化對自循環(huán)流動沸騰換熱影響的研究非常少。

因此，中國科學院電工研究所、中國科學院大學的研究人員采用可視化的研究手段，對方形肋陣表貼式蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)液盒內(nèi)不同肋高、間距、肋橫截面積的肋陣結構對流動沸騰換熱與兩相壓降的影響規(guī)律進行了實驗研究，給出肋陣對汽泡沸騰過程的影響的可視化結果，對肋陣高度、間距、橫截面變化對沸騰換熱與兩相流動的影響進行分析，得到了不同肋陣結構對液盒內(nèi)部強化換熱效果與兩相壓降之間的變化規(guī)律。

圖1 實驗系統(tǒng)

他們的主要結論如下：

1）通過可視化觀察發(fā)現(xiàn)，肋陣可以在液盒內(nèi)部形成尾跡擾動，同時在主流未飽和情況下，最先在肋表面生成汽泡，熱負荷升高后，液盒內(nèi)不同肋陣結構的流型均為泡態(tài)沸騰；對比不同肋陣結構對沸騰換熱的影響可以發(fā)現(xiàn)，肋高和間距對沸騰換熱的強化存在最優(yōu)值，同等情況下，優(yōu)先選擇提高肋間距來強化流動沸騰換熱。

2）根據(jù)液盒內(nèi)部兩相流動沸騰換熱的特點，建立了液盒內(nèi)部流動沸騰換熱計算模型，得到了液盒內(nèi)部不同肋陣結構流動阻力循環(huán)特性均呈現(xiàn)二次曲線變化規(guī)律，肋陣結構參數(shù)的變化導致系統(tǒng)流動循環(huán)特性曲線整體漂移，流量的漂移是系統(tǒng)沸騰換熱效果及流型變化的定量化反映。

3）系統(tǒng)流動循環(huán)特性對強化換熱肋陣阻力變化的敏感性特點表明在對液盒內(nèi)流動沸騰換熱過程進行強化時，要特別注意肋陣兩相流動阻力的變化。

該研究結果為肋陣強化換熱結構的選擇及在自循環(huán)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)中的設計應用提供了重要的理論依據(jù)。

本文編自2022年第5期《電工技術學報》，論文標題為“方形肋陣參數(shù)變化對流動沸騰換熱影響的實驗研究”。論文第一作者為史一濤，1986年生，博士，研究方向為電子裝備蒸發(fā)冷卻技術。通訊作者為阮琳，1976年生，教授，博士生導師，研究方向為電氣與電子裝備蒸發(fā)冷卻技術。本課題得到了中國科學院前沿科學研究重點研究計劃資助項目的支持。