- 頭條中科院電工所團隊成果：方形肋陣參數變化對流動沸騰換熱的影響2022-08-01 作者：史一濤、曹瑞、阮琳 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語為掌握肋陣結構參數變化對流動沸騰換熱的影響規律，中國科學院電工研究所、中國科學院大學的研究人員史一濤、曹瑞、阮琳，在2022年第5期《電工技術學報》上撰文，對表貼式肋陣液盒內的流動沸騰換熱與兩相流動壓降特性進行了可視化實驗研究。 研究人員采用橫截面積為180mm×20mm的液盒作為研究對象，液盒通道為可視化單面加熱窄矩形結構。選擇肋高度、肋間距、肋橫截面積不同的七種肋陣背板，對液盒內部流動沸騰換熱特性進行研究。通過可視化觀察發現，肋陣明顯強化了液盒內的流動沸騰換熱過程。 對不同肋陣參數對沸騰換熱的變化規律進行研究發現，隨著肋陣高度和肋陣間距的變化，沸騰傳熱效果均存在最優值；沸騰傳熱系數隨著單肋橫截面積增加而增加；液盒內的流量-阻力壓降循環特性對肋陣參數的變化較為敏感，隨著肋陣參數的變化均呈現不同程度地向左或向右的漂移現象。該研究結果為方形肋陣結構在表貼式蒸發冷卻系統上的工程應用提供了重要依據。
近年來，隨著電力電子設備朝著微型化、高熱流密度方向發展，散熱問題已經成為制約其發展的瓶頸。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、工質用量少、均溫性好等優點，已經廣泛應用到計算機、直流輸電、雷達、交通等領域。
顧國彪等指出，蒸發冷卻流動沸騰換熱技術具有結構簡單、體積小、低噪聲等優點，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。
曹瑞等利用參數化建模方法建立蒸發冷卻關鍵部件——液盒的數學模型，對其內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工質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蒸發冷卻系統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，發現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，現有文獻中關于肋陣結構變化對自循環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冷卻系統液盒內不同肋高、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部強化換熱效果與兩相壓降之間的變化規律。
圖1 實驗系統
他們的主要結論如下：
1）通過可視化觀察發現，肋陣可以在液盒內部形成尾跡擾動，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，液盒內不同肋陣結構的流型均為泡態沸騰；對比不同肋陣結構對沸騰換熱的影響可以發現，肋高和間距對沸騰換熱的強化存在最優值，同等情況下，優先選擇提高肋間距來強化流動沸騰換熱。
2）根據液盒內部兩相流動沸騰換熱的特點，建立了液盒內部流動沸騰換熱計算模型，得到了液盒內部不同肋陣結構流動阻力循環特性均呈現二次曲線變化規律，肋陣結構參數的變化導致系統流動循環特性曲線整體漂移，流量的漂移是系統沸騰換熱效果及流型變化的定量化反映。
3）系統流動循環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蒸發冷卻系統中的設計應用提供了重要的理論依據。
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。
