超薄熱管內(nèi)部兩相流數(shù)值模擬分析

1設(shè)備和使用薄膜隨著新興技術(shù)的進(jìn)步，高性能高熱流密度的電子產(chǎn)品不斷發(fā)展，微規(guī)模的高效彌散已成為一個日益嚴(yán)重的問題。相關(guān)研究表明，電子元件的失效率隨著自身溫度的升高呈指數(shù)提高，高熱流密度電子產(chǎn)品的散熱問題已經(jīng)成為當(dāng)今電子工業(yè)發(fā)展的瓶頸，如何提高電子設(shè)備的散熱問題成為行業(yè)內(nèi)密切關(guān)注的課題超薄熱管作為一種依靠自身內(nèi)部工質(zhì)發(fā)生相變的高效散熱元件，擁有高導(dǎo)熱率、高穩(wěn)定性、強冷卻能力、超長壽命等優(yōu)點目前，大部分針對超薄熱管的研究集中在通過改變吸液芯結(jié)構(gòu)來提高換熱效率。然而事實上，超薄熱管內(nèi)的充液率對傳熱速率和熱阻的影響也不容忽視。卿倩等提高超薄熱管的傳熱效率，主要做法是優(yōu)化吸液芯的結(jié)構(gòu)和改變超薄熱管的充液率，而對于超薄熱管內(nèi)部流場如何影響傳熱效率，還沒有統(tǒng)一定論2不同網(wǎng)格網(wǎng)格的確定超薄熱管的基本工作原理如圖1所示。筆者建立超薄熱管模型，底邊長為0.02m，高為0.1m。模型一共分為三個部分，分別為冷凝段、絕熱段、蒸發(fā)段。將蒸發(fā)段設(shè)置為溫度570K的不固定熱源，絕熱段壁面的熱通量設(shè)置為0。模型外殼材料設(shè)置為銅，內(nèi)部工質(zhì)設(shè)置為液態(tài)水。為了計算的準(zhǔn)確性，模型二維截面采用自由網(wǎng)格劃分。由于涉及到蒸發(fā)段的相變過程，因此蒸發(fā)段的網(wǎng)格需要加密。通過模擬幾種不同網(wǎng)格尺寸，確認(rèn)蒸發(fā)段最小網(wǎng)格尺寸為0.001m、網(wǎng)格數(shù)為9240時，模擬效果最佳。超薄熱管網(wǎng)格劃分如圖2所示。3流體體積分?jǐn)?shù)在模擬超薄熱管蒸發(fā)與冷凝過程中，采用流體體積模型，主要用于捕捉蒸發(fā)、冷凝過程中氣液兩相之間的界面變化。在計算過程中，流體體積模型可以追蹤每一種相在計算區(qū)間內(nèi)的體積分?jǐn)?shù)。筆者分別用φ質(zhì)量守恒方程為:式中:ρ為密度，kg/m動量守恒方程為:式中:g為重力加速度，m/s能量守恒方程為:式中:E為能量，J;T為溫度，K;k熱管壁固體導(dǎo)熱方程為:式中:T4蒸汽與壁面摩擦為了能夠較快地觀察到相變現(xiàn)象發(fā)生，筆者設(shè)置液態(tài)工質(zhì)的初始溫度為372.5K，并設(shè)置不同的充液率和加熱溫度。將模型底部蒸發(fā)段設(shè)置為570K恒熱源，絕熱段左右兩邊熱通量設(shè)為0，以防止熱量流失。頂部冷凝段為壓力出口，表壓為0，回流溫度為373.15K。分析中，考慮重力，以及蒸汽與壁面摩擦力的影響。在保證邊界條件合理的情況下，充液率設(shè)置為30%、40%、45%、50%、55%、60%、70%、80%，加熱溫度設(shè)置為570K、590K、620K，壁面熱通量設(shè)置為0，工質(zhì)比熱容設(shè)置為4200J/(kg·K)，壁面材料密度設(shè)置為8960kg/m5不同充液率時溫度在保證加熱溫度570K不變的情況下，分別計算不同充液率下達(dá)到穩(wěn)定時氣相的變化情況，基于混合模型來研究加熱情況下液相和氣相兩者之間的相對變化。結(jié)果表明，空腔內(nèi)部蒸汽的流動速度出現(xiàn)先提高后降低的趨勢。充液率為30%～40%時，空腔底部一部分工質(zhì)在緩慢流動，少部分溢出至冷凝段。由于空腔內(nèi)部工質(zhì)太少，工質(zhì)在極短時間內(nèi)出現(xiàn)氣化，導(dǎo)致底部干燒，以至于無法形成連續(xù)的蒸汽膜，加之流動速度不是很快，直接導(dǎo)致傳熱效率較低。充液率為50%～60%時，蒸發(fā)區(qū)域面積顯著增大。不同充液率時超薄熱管速度云圖如圖3所示。充液率為45%時，超薄熱管速度云圖底部出現(xiàn)斷裂，從而造成超薄熱管出現(xiàn)傳熱不連續(xù)性問題，其根本原因為工質(zhì)的填充量在該工況下偏小，在頂部冷凝完成之后底部無法及時產(chǎn)生足夠的蒸汽來補充，從而導(dǎo)致超薄熱管傳熱不穩(wěn)定。充液率為50%時，超薄熱管內(nèi)部工質(zhì)流動很均勻，工質(zhì)流動沒有出現(xiàn)脫離現(xiàn)象，伴隨著蒸汽向上流動，說明充液率為50%能較好地吸收潛熱，并帶走大量熱量。充液率為55%時，超薄熱管上部流動連續(xù)性良好。當(dāng)充液率提高至60%時，空腔上部出現(xiàn)流動速度急劇降低，導(dǎo)致溫度傳遞效率出現(xiàn)較大降低，這樣直接導(dǎo)致溫度無法傳遞，極大降低了傳熱效率。當(dāng)充液率為70%～80%時，蒸發(fā)區(qū)域面積迅速減小，這是因為工質(zhì)在空腔內(nèi)部形成液池，內(nèi)部同樣存在流動不均勻和流動不連續(xù)現(xiàn)象，不利于傳熱。因此，對于超薄熱管而言，充液率為50%～60%時擁有內(nèi)部工質(zhì)流動速度較快且均勻連續(xù)，蒸發(fā)區(qū)域面積較大等優(yōu)點，均有利于熱量傳遞。6溫度分布的影響不同溫度時超薄熱管速度云圖如圖4所示。由于充液率為50%～55%時超薄熱管內(nèi)部混合工質(zhì)流速有一個極大值，因此筆者在不同溫度下對充液率50%和55%展開研究。保持充液率為50%，溫度由570K升高至620K，速度云圖中有一個較大面積的低流速區(qū)域，此時會對傳熱造成極大阻礙，部分工質(zhì)沿壁面逃逸，加之內(nèi)壁的粗糙結(jié)構(gòu)對流動工質(zhì)產(chǎn)生摩擦力，直接導(dǎo)致速度損失。溫度為570K時，內(nèi)部流動較為均勻，同時存在一個面積較小的低流速區(qū)域，對比之下更有傳熱優(yōu)勢。充液率提高至55%，溫度為620K時，超薄熱管內(nèi)部有一個較大面積的斷流區(qū)，這是由于加熱溫度太高而產(chǎn)生的現(xiàn)象，會極大降低超薄熱管的傳熱效率，而且還可能導(dǎo)致超薄熱管出現(xiàn)干燒，極大影響使用壽命。相比之下，570K時超薄熱管內(nèi)部沒有較大的斷流區(qū)域，可以較為均勻地傳熱。綜上所述，加熱溫度570K比620K更有利于超薄熱管的傳熱。7充液率對溫度波動的影響超薄熱管內(nèi)部存在不均勻流體流動，會帶來一定的溫度波動。充液率為50%時，不同時刻混合工質(zhì)的速度變化趨勢如圖5所示。由圖5可知，流體流速的變化是從底部開始的，這是由于超薄熱管底部受熱導(dǎo)致工質(zhì)內(nèi)能增大，內(nèi)能向上轉(zhuǎn)換為流體的動能式中:V為流體在流道內(nèi)的速度，m/s;L為特征長度，m。充液率保持為50%，特征長度的理想取值為50%標(biāo)準(zhǔn)長度。由于流速的不均勻性，因此取速度的平均值，經(jīng)過計算得到流體的雷諾數(shù)為1396，可以判斷流體為標(biāo)準(zhǔn)層流換熱筆者從工質(zhì)流動的速度來解釋空腔內(nèi)部的工質(zhì)變化，分別設(shè)置八組不同充液率的模型。仿真結(jié)果表明，充液率為50%左右時，空腔內(nèi)部工質(zhì)流速達(dá)到最大值。對比不同充液率下空腔內(nèi)部達(dá)到穩(wěn)定時的氣相占比云圖，結(jié)果顯示充液率為50%～60%時氣化率達(dá)到一個高峰，并且有大量氣體流至冷凝段，極大促進(jìn)了熱量的傳輸。由此可見，充液率為50%左右時，傳熱效率達(dá)到一個較高的水平。為了驗證結(jié)果的可靠性，筆者借助文獻(xiàn)根據(jù)試驗結(jié)果分析，充液率為46%時，在熱負(fù)荷為30W～50W的低熱負(fù)荷區(qū)間內(nèi)，超薄熱管外壁溫度隨著熱負(fù)荷的增大而升高，且溫度明顯高于充液率為52%和57%時。不同加熱溫度時蒸發(fā)區(qū)域測溫點溫度變化如圖7所示。充液率為45%時，測溫點附近的溫度要高于其它兩種充液率，超薄熱管內(nèi)部工質(zhì)的流速有較大幅度波動，且流動速度降低非常嚴(yán)重，這是導(dǎo)致傳熱不佳的根本原因。充液率為52%時，30W～50W低熱負(fù)荷區(qū)間內(nèi)，超薄熱管表面溫度相比充液率為46%和57%時低很多，說明充液率為52%時傳熱效果最佳。不同充液率時超薄熱管溫度變化特性如圖8所示。由圖8可知:充液率為50%時，工質(zhì)的流動速度達(dá)到峰值，此時換熱效果最佳;隨著溫度的升高，流速有較大幅度降低，與試驗數(shù)據(jù)基本吻合。由圖7可知，加熱溫度為570～600K時，在低熱負(fù)荷區(qū)域，隨著溫度的變化，充液率為50%的超薄熱管溫度變化最穩(wěn)定，且傳熱效果優(yōu)于其它超薄熱管，和試驗得出的結(jié)論基本一致。8不同充液率時溫度波動筆者主要研究了以水為工質(zhì)的超薄熱管的傳熱特性，利用仿真軟件對不同充液率時超薄熱管的傳熱特性進(jìn)行了研究對于超薄熱管而言，充液率為50%左右時，內(nèi)部混合相的流速達(dá)到最大值，隨著加熱溫度的升高，流速降低。設(shè)定加熱溫度為