史一濤 曹 瑞 阮 琳,2

方形肋陣參數(shù)變化對流動沸騰換熱影響的實驗研究

史一濤1曹 瑞1阮 琳1,2

（1. 中國科學(xué)院電工研究所 北京 100190 2. 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

為掌握肋陣結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對流動沸騰換熱的影響規(guī)律，對表貼式肋陣液盒內(nèi)的流動沸騰換熱與兩相流動壓降特性進(jìn)行了可視化實驗研究。該文采用橫截面積為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(jié)構(gòu)。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(nèi)部流動沸騰換熱特性進(jìn)行研究。通過可視化觀察發(fā)現(xiàn)，肋陣明顯強化了液盒內(nèi)的流動沸騰換熱過程。對不同肋陣參數(shù)對沸騰換熱的變化規(guī)律進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，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(yōu)值；沸騰傳熱系數(shù)隨著單肋橫截面積增加而增加；液盒內(nèi)的流量-阻力壓降循環(huán)特性對肋陣參數(shù)的變化較為敏感，隨著肋陣參數(shù)的變化均呈現(xiàn)不同程度地向左或向右的漂移現(xiàn)象。該研究結(jié)果為方形肋陣結(jié)構(gòu)在表貼式蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)上的工程應(yīng)用提供了重要依據(jù)。

表貼式 肋陣 流動沸騰 強化換熱 兩相壓降

0 引言

近年來，隨著電力電子設(shè)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[1]。沸騰換熱技術(shù)作為一種非常有前景的電力電子設(shè)備冷卻技術(shù)，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(yīng)用到計算機(jī)、直流輸電、雷達(dá)、交通等領(lǐng)域[2-4]。顧國彪等指出，蒸發(fā)冷卻流動沸騰換熱技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、低噪聲等優(yōu)點，電力電子設(shè)備采用該技術(shù)后，體積和重量均減少40%以上，工程造價降低40%以上[5]。阮琳等將表貼式蒸發(fā)冷卻流動沸騰換熱技術(shù)應(yīng)用到超級計算機(jī)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(shù)可以降低超級計算機(jī)6.12%的散熱能量消耗[6]。曹瑞等利用參數(shù)化建模方法建立蒸發(fā)冷卻關(guān)鍵部件——液盒的數(shù)學(xué)模型，對其內(nèi)部汽液流程及溫度場進(jìn)行研究，并結(jié)合實驗結(jié)果最終確定了液盒結(jié)構(gòu)[7]。郭朝紅等對不同兩相流型轉(zhuǎn)變準(zhǔn)則進(jìn)行研究，并提出了適用汽輪機(jī)線棒內(nèi)工質(zhì)兩相流型的轉(zhuǎn)變準(zhǔn)則[8]。董海虹等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(jìn)行了研究[9]。

在流動沸騰換熱基礎(chǔ)上通過肋陣強化傳熱，可以進(jìn)一步提高電力電子設(shè)備冷卻能力。該技術(shù)迎合了其熱流密度快速增長的需要，正受到越來越多學(xué)者的關(guān)注。M. H. Nasr等采用R134a作為冷卻介質(zhì)，對內(nèi)肋陣通道和光滑通道內(nèi)的流動沸騰換熱特點進(jìn)行研究，肋陣通道的沸騰傳熱系數(shù)是光滑通道的4倍[10]。D. A. Mcneil等對平板和順列肋陣板的沸騰換熱效果進(jìn)行了對比，研究結(jié)果表明肋陣板傳熱效果更好，但相比光板，肋陣板壓降增加7倍[11]。Yin Liaofei等對水工質(zhì)在肋陣通道內(nèi)的流動沸騰進(jìn)行了實驗研究，并利用高速相機(jī)獲得了流動沸騰流型，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)肋陣通道可以顯著強化沸騰換熱效果，這主要是由于肋陣強化了核態(tài)沸騰和對流蒸發(fā)傳熱過程[12]。P. Asrar 等對包含圓形錯列肋陣的通道內(nèi)流動沸騰流型進(jìn)行了可視化研究，研究發(fā)現(xiàn)工質(zhì)流經(jīng)肋陣產(chǎn)生非常小的汽泡，最終形成霧狀流[13]。C. Falsetti 等對肋陣通道內(nèi)流動沸騰流型、壓降、傳熱特點進(jìn)行了全面的實驗研究，研究發(fā)現(xiàn)肋陣結(jié)構(gòu)對兩相流型發(fā)展有較大影響，隨著質(zhì)量流量和熱流密度的變化，沸騰傳熱系數(shù)有較大變化[14]。

M. Law等對三種不同肋間距的菱形肋陣通道內(nèi)的流動沸騰換熱、壓降及不穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)，肋間距越小，沸騰換熱效果越好，系統(tǒng)越穩(wěn)定[15]。吳曉敏等對不同肋高的內(nèi)肋管內(nèi)流動沸騰換熱進(jìn)行了實驗研究，研究發(fā)現(xiàn)超高齒微肋管換熱能力比普通齒微肋管高20%以上[16]。杜保周等對圓形、菱形、橢圓形肋陣通道內(nèi)流動沸騰換熱進(jìn)行了實驗研究，結(jié)果表明沸騰傳熱系數(shù)隨著熱負(fù)荷的增加而減小，兩相壓降隨著熱負(fù)荷的增加而增加，橢圓形肋陣通道的流動沸騰穩(wěn)定性最好[17]。

綜上所述，肋陣結(jié)構(gòu)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(jī)理更加復(fù)雜，現(xiàn)有文獻(xiàn)中關(guān)于肋陣結(jié)構(gòu)變化對自循環(huán)流動沸騰換熱影響的研究非常少。因此，本文采用可視化的研究手段，基于表貼式自循環(huán)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，對不同參數(shù)的肋陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行實驗研究，給出肋陣對汽泡沸騰過程的影響的可視化結(jié)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(jìn)行分析，從而為肋陣強化換熱結(jié)構(gòu)在表貼式蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)中的工程應(yīng)用提供設(shè)計參考。

1 實驗裝置

1.1 實驗系統(tǒng)

表貼式自循環(huán)蒸發(fā)冷卻實驗系統(tǒng)如圖1所示，整個回路包括液盒、冷凝器、加熱塊、數(shù)采儀、調(diào)壓器等設(shè)備。該系統(tǒng)是一種被動式自循環(huán)冷卻系統(tǒng)，液態(tài)工質(zhì)在液盒內(nèi)部經(jīng)歷預(yù)熱、沸騰相變成為汽液混合物，同時回路內(nèi)部左右兩側(cè)出現(xiàn)密度差，在重力作用下，推動工質(zhì)循環(huán)。汽液混合物上升流出液盒，經(jīng)過上升管到達(dá)冷凝器，汽液混合物遇冷放出熱量轉(zhuǎn)化為液態(tài)。冷凝器中的熱量最終由冷卻水帶走。液態(tài)工質(zhì)經(jīng)下降管再次進(jìn)入液盒，完成一個冷卻循環(huán)過程。系統(tǒng)流量隨著加熱負(fù)荷的變化而變化，具有一定的自適應(yīng)性。

本文采用加熱銅塊模擬電子設(shè)備發(fā)熱，加熱銅塊電阻值為17W，通過調(diào)壓器調(diào)節(jié)加熱銅塊熱負(fù)荷，最大熱負(fù)荷為2kW。加熱銅塊緊貼液盒背面，兩者之間均有涂抹導(dǎo)熱硅脂，以降低接觸熱阻對實驗的影響。加熱銅塊和背板之間中心布置熱電偶，液盒進(jìn)、出口布置有膜片型壓力傳感器和T型熱電偶。壓力傳感器的量程為0～50kPa，精度為0.1%；熱電偶精度量程為200～600℃，精度為±0.2℃。流量計布置在液盒入口下方15cm的位置，流量計量選用小流量齒輪流量計，量程為5～1 000mL/min，測量精度為0.5%。實驗數(shù)據(jù)通過Fluke2860A數(shù)采儀實時傳輸?shù)接嬎銠C(jī)。系統(tǒng)連接管路采用PU管，內(nèi)徑8mm。

1.2 液盒

液盒結(jié)構(gòu)和參數(shù)分別如圖2和圖3所示，液盒外邊緣尺寸為230mm×230mm×40mm，內(nèi)部通道尺寸為180mm×180mm×20mm，主要包括可視化視窗、鋁制中間層、方形肋陣背板三部分。其中，液盒前部為可視化視窗，通過可視化視窗可以觀察液盒內(nèi)部肋陣結(jié)構(gòu)對沸騰換熱與兩相流動過程的影響。本次實驗選擇七種不同結(jié)構(gòu)的肋陣背板，分別探究肋高、肋間距及橫截面變化對沸騰換熱與兩相流動壓降的影響，液盒背板肋陣結(jié)構(gòu)詳細(xì)參數(shù)見表1。

圖2 液盒結(jié)構(gòu)

圖3 液盒結(jié)構(gòu)參數(shù)

表1 液盒背板肋陣參數(shù)

Tab.1 Parameters of rib array on the back of the liquid box

1.3 實驗流程

本文實驗選用實驗室自有碳氟化合物類蒸發(fā)冷卻介質(zhì)，工質(zhì)物性參數(shù)見表2。工質(zhì)具有絕緣、低沸點、性能穩(wěn)定、流動性好及對實驗所用材料無腐蝕性的特點，非常適合應(yīng)用到電力電子設(shè)備冷卻中。

表2 工質(zhì)物性參數(shù)

Tab.2 Physical properties of coolant

實驗開始前，初步加熱工質(zhì)，通過冷凝器上方排氣口，多次連續(xù)排氣，排除不凝氣體對冷凝器性能的影響。實驗開始后，液盒加熱負(fù)荷從200W到800W逐步增加，間隔100W。整個實驗過程中，通過調(diào)節(jié)冷卻循環(huán)水量，維持冷凝器壓力穩(wěn)定在10kPa左右。通過液盒可視化窗口對流動沸騰換熱過程進(jìn)行觀察并記錄。當(dāng)系統(tǒng)壓力、溫度等數(shù)據(jù)曲線趨穩(wěn)并保持15min以上，開始記錄穩(wěn)態(tài)實驗數(shù)據(jù)。

2 工程簡化計算

2.1 數(shù)學(xué)模型

本文采用集中參數(shù)法，忽略液盒通道內(nèi)部參數(shù)水平方向差異，僅考慮垂直方向流動沸騰過程參數(shù)的變化，液盒的簡化物理模型如圖4所示?；谫|(zhì)量、能量、動量守恒定律，建立液盒內(nèi)部一維流動沸騰換熱模型。

圖4 液盒物理模型

加熱銅塊熱負(fù)荷包括工質(zhì)冷卻帶走熱負(fù)荷和散熱損失熱負(fù)荷兩部分，其中散熱損失主要包括液盒、加熱塊表面和環(huán)境之間的自然對流散熱損失。

工質(zhì)冷卻熱負(fù)荷為

式中，eff為工質(zhì)帶走熱量的功率；electrical為電加熱的功率；env為液盒表面的散熱功率；sur為液盒表面積；1為液盒外邊緣寬度；1為液盒外邊緣厚度；box為加熱塊表面溫度；env為環(huán)境溫度；env為綜合表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

工質(zhì)在液盒內(nèi)部依次經(jīng)歷預(yù)熱和沸騰兩個加熱過程，根據(jù)工質(zhì)能量守恒可分別得到預(yù)熱段長度pre和沸騰段長度evap，詳細(xì)計算過程如下。

預(yù)熱段：

沸騰段：

式中，2為液盒內(nèi)流道寬度；1為液盒外邊緣高度；2為液盒內(nèi)流道高度；2為液盒內(nèi)流道厚度；為液盒橫向排布肋數(shù)量；1為肋橫截面寬度；3為肋高度；d為液盒流道橫截面積；in為工質(zhì)進(jìn)口焓值；sat為液態(tài)工質(zhì)飽和焓值；out為工質(zhì)出口焓值；為質(zhì)量流速。

牛頓冷卻公式為[18]

根據(jù)式（8）得沸騰段平均傳熱系數(shù)為

式中，為肋陣高度；rib為單個肋橫截面周長；為肋陣傳熱系數(shù)；c為單個肋橫截面積。

整個液盒實驗段壓降主要包括液盒單相預(yù)熱段、沸騰段和局部阻力壓降三個部分[19]。液盒進(jìn)、出口流道截面尺寸小于液盒內(nèi)流動截面尺寸。當(dāng)液態(tài)工質(zhì)流入液盒時，存在突然擴(kuò)大局部阻力壓降；當(dāng)汽液混合工質(zhì)流出液盒時，出口流動截面收縮，出現(xiàn)突然縮小局部阻力壓降；當(dāng)液態(tài)工質(zhì)進(jìn)入液盒后，經(jīng)歷預(yù)熱、沸騰過程，在工質(zhì)沸騰過程中，主要的壓力損失包括摩擦及肋擾流阻力壓降、由于汽液加速造成的加速壓降以及重力壓降三部分。通過抽取單相預(yù)熱段、兩相沸騰段的重力壓降、加速壓降及局部阻力壓降可以得到液盒內(nèi)部兩相沸騰段流動阻力損失，詳細(xì)計算過程如下。

預(yù)熱段總壓降為

式中，為水力直徑；為密度；為沿程水力摩阻系數(shù)；下標(biāo)l為液相；為速度；為重力加速度。

沸騰段阻力壓降為

沸騰段加速壓降為

式中，為截面含汽率；為積分變量。

沸騰段重力壓降為

突然擴(kuò)大壓降為

突然縮小壓降為

式中，為出口干度；為截面比；c為收縮比；為比體積；下標(biāo)lg為液相變汽相的差值。

2.2 不確定度分析

為確保實驗的準(zhǔn)確性，實驗開始前，采用冰水混合物對熱電偶進(jìn)行校準(zhǔn)，采用Fluke壓力校準(zhǔn)儀對壓力表進(jìn)行校準(zhǔn)。液盒內(nèi)部沸騰傳熱系數(shù)和阻力壓降不確定度根據(jù)誤差傳遞原理估算[20]，實驗參數(shù)的不確定度見表3。

表3 參數(shù)不確定度

Tab.3 Uncertainty of parameters

3 實驗結(jié)果與討論

本節(jié)對不同肋高、肋間距、肋橫截面積的七種液盒肋陣背板進(jìn)行了實驗研究，熱負(fù)荷變化范圍為200～800W，間隔100W，冷凝器運行壓力穩(wěn)定在10kPa左右。實驗獲得了不同肋陣結(jié)構(gòu)的流動沸騰可視化流型圖和流動沸騰換熱與兩相壓降動態(tài)特性的變化曲線。

當(dāng)液盒背面加熱負(fù)荷以后，液體工質(zhì)預(yù)熱并逐漸達(dá)到沸點，從液態(tài)相變?yōu)槠麘B(tài)，液盒內(nèi)工質(zhì)密度減小，回路兩側(cè)由于密度差產(chǎn)生循環(huán)動壓頭，回路工質(zhì)開始循環(huán)，此時回路循環(huán)流量相對較小，液盒內(nèi)部主流區(qū)域處于層流狀態(tài)，如圖5所示。在肋陣后方產(chǎn)生了明顯的尾跡擾流，有學(xué)者在對肋陣強化換熱的研究中也發(fā)現(xiàn)了這種尾跡渦流現(xiàn)象[21]。這種尾跡流動會破壞液盒壁面的流動邊界層，強化液盒內(nèi)部工質(zhì)的擾動摻混，提高液盒內(nèi)部對流換熱強度。

圖5 加熱初期流動

隨著加熱時間的增加，當(dāng)液盒內(nèi)部主流工質(zhì)未達(dá)到飽和溫度時，肋陣周圍開始出現(xiàn)明顯的小汽泡，如圖6和圖7所示。熱負(fù)荷加熱初期，系統(tǒng)流量較小，汽泡在肋前部成核長大，外形近似圓形，此時表面張力起主要作用。隨著汽泡的長大，表面張力作用減弱，汽泡形狀變?yōu)闄E圓形。正是由于汽泡的生長，強化了工質(zhì)擾動，減小了肋前部邊界層厚度，有力地強化了液盒內(nèi)部換熱效果。

圖6 肋陣間加熱初期汽泡

圖7 肋邊緣加熱初期汽泡

為揭示不同參數(shù)的肋陣結(jié)構(gòu)對流動沸騰的影響規(guī)律，對加熱負(fù)荷500W工況下，不同肋陣背板液盒內(nèi)部沸騰情況進(jìn)行分析，結(jié)果如圖8～圖10所示。從圖中可以看出，由液盒下部入口到上部出口，汽泡生成量逐漸上升，較多的小汽泡聚集在液盒上方，呈現(xiàn)反復(fù)上下擾動的變化規(guī)律。正是由于肋陣結(jié)構(gòu)的存在，強化了液盒內(nèi)部汽泡之間的擾動，與此同時，小汽泡并不能聚合成為更大的汽泡，整體流動狀態(tài)呈現(xiàn)泡狀流流型。此外，液盒為窄矩形通道，扁平結(jié)構(gòu)，液盒左右兩側(cè)工質(zhì)溫度相比肋陣中心溫度低，在液盒內(nèi)部同時形成兩側(cè)向中心的內(nèi)循環(huán)流動，進(jìn)一步強化了液盒內(nèi)部沸騰換熱效果，這正是液盒均溫性好的體現(xiàn)，與文獻(xiàn)[22]中的結(jié)論一致。

圖8 1～3號不同肋高背板

圖9 5～7號不同肋間距背板

圖10 2、4、6號不同橫截面積肋背板

從圖8可以看出，隨著肋高增加，液盒內(nèi)部總體沸騰情況基本一致，其中1號肋陣最左側(cè)背板位置出現(xiàn)較多汽泡，這說明相比其他兩塊肋板，其中心溫度相對較高。對比不同肋間距沸騰情況，由圖9可以看出，隨著肋間距增加，液盒內(nèi)部汽泡沸騰份額有增加趨勢。當(dāng)肋間距增大時，液盒內(nèi)部核態(tài)沸騰面積降低，但同時液盒內(nèi)阻力減小，自循環(huán)系統(tǒng)流量會增加一些，液盒內(nèi)部汽泡擾動同步提高，這就強化了對流換熱過程，提高了液盒內(nèi)部沸騰換熱量。當(dāng)單個肋橫截面發(fā)生變化時，液盒內(nèi)部整體汽相份額基本一致，如圖10所示，隨著橫截面積增加，肋陣周圍汽泡呈現(xiàn)減少趨勢，這說明肋陣橫截面增加可以強化液盒內(nèi)部沸騰換熱。

圖11～圖13為液盒背面中心溫度曲線，隨著熱負(fù)荷升高，曲線均呈現(xiàn)單調(diào)遞增趨勢。從圖11中可以看出，1號肋陣中心溫度最高，2號肋陣中心溫度最低，這說明液盒內(nèi)部沸騰換熱強化與兩相流動壓降增加之間存在最優(yōu)肋高。從圖12中可以看出，隨著肋間距的增加，中心溫度呈現(xiàn)先降低后增加的變化趨勢，其中6號中心溫度最低，強化換熱效果最好，這說明肋陣強化換熱存在最優(yōu)肋陣間距。在圖13中可以看出，隨著單個肋橫截面積的增加，中心溫度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，2號溫度最高，對比方形肋陣參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)，盡管2號肋陣橫截面積較小，但整體排列較為緊密，肋陣之間工質(zhì)流動困難，影響了肋陣內(nèi)部流動換熱過程，因此，橫截面積大的肋強化沸騰換熱效果更好。

圖11 1～3號熱負(fù)荷中心溫度曲線

圖12 5～7號熱負(fù)荷中心溫度曲線

圖13 2、4、6號熱負(fù)荷中心溫度曲線

為進(jìn)一步揭示肋陣結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對液盒內(nèi)流動沸騰機(jī)理的影響規(guī)律，本文對肋陣結(jié)構(gòu)與沸騰傳熱系數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行分析，如圖14～圖16所示。隨著肋高的增加，傳熱系數(shù)呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，肋高增加可以增加核態(tài)沸騰表面積，強化沸騰換熱，但當(dāng)肋高增加帶來的兩相流動阻力超過系統(tǒng)循環(huán)動力時，傳熱系數(shù)開始下降，這是由該系統(tǒng)自循環(huán)特點決定的。隨著肋間距的增加，傳熱系數(shù)呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，這一變化曲線表明過小的肋間距，阻力過大，對沸騰換熱具有抑制作用，過大的肋間距沸騰換熱面積不足。隨著單個肋橫截面積的增加，傳熱系數(shù)呈現(xiàn)單調(diào)遞增的趨勢，單個肋橫截面積的增加雖然降低了核態(tài)沸騰面積，但降低了肋陣擾流損失，增加了循環(huán)流量，提高了總體沸騰傳熱系數(shù)。將肋高和肋間距對傳熱系數(shù)的影響進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)兩個參數(shù)均存在最優(yōu)值，但肋間距對傳熱系數(shù)的影響更大，因此可以優(yōu)先選擇優(yōu)化肋間距來強化沸騰換熱。

圖14 肋高-傳熱系數(shù)

圖15 肋間距-傳熱系數(shù)

圖16 肋橫截面積-傳熱系數(shù)

肋陣在強化沸騰換熱的同時提高了液盒內(nèi)部兩相流動阻力，兩者之間存在強烈的耦合關(guān)系。不同肋陣下液盒內(nèi)熱負(fù)荷-流量變化趨勢如圖17～圖19所示。隨著熱負(fù)荷的增加，1～7號肋陣液盒內(nèi)流量均呈現(xiàn)逐漸下降的變化趨勢，這表明隨著液盒內(nèi)部汽泡的生成，液盒內(nèi)阻力快速增大，并超過循環(huán)動力的增加值，因此流量呈現(xiàn)快速下降的變化趨勢。值得注意的是，當(dāng)肋高逐漸增加時，液盒內(nèi)部流量是變大的，表明增加肋高可以強化單面加熱液盒內(nèi)部沸騰的均勻程度；肋間距過小，即肋排布過密時，系統(tǒng)阻力過大，不利于系統(tǒng)循環(huán)特性的改善；肋間距逐漸增加，工質(zhì)流過肋間時，工質(zhì)擾流損失增加，系統(tǒng)流量最小。

圖17 1～3號熱負(fù)荷-流量

圖18 2、4、6號熱負(fù)荷-流量

圖19 5～7號熱負(fù)荷-流量

在對如圖17～圖19所示自循環(huán)系統(tǒng)流動循環(huán)特點的分析基礎(chǔ)上，根據(jù)第2節(jié)建立的肋陣結(jié)構(gòu)液盒內(nèi)流動換熱數(shù)學(xué)模型，進(jìn)一步對不同肋陣結(jié)構(gòu)對液盒內(nèi)部兩相流動壓降影響進(jìn)行定量化研究。液盒內(nèi)部流量-阻力曲線如圖20～圖22所示，均呈現(xiàn)出下降、升高再下降的變化趨勢。曲線從右往左，對應(yīng)熱負(fù)荷的升高過程，這種變化趨勢也反映了流型從泡狀流到攪拌流，再到霧狀流的流型變化[23]。

隨著流量的不斷增加，液盒內(nèi)部汽相份額逐漸減小，液相份額逐漸增加，此時汽相阻力占據(jù)主要份額，液盒總體阻力呈現(xiàn)不斷降低趨勢。當(dāng)液相阻力占據(jù)主要份額時，黏性阻力和尾跡渦流損失不斷增加，總阻力開始呈現(xiàn)上漲趨勢。隨著系統(tǒng)流量繼續(xù)增加，液盒內(nèi)部流動阻力呈現(xiàn)下降趨勢，這主要是由于表貼式自循環(huán)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)流量較小，流動處于層流狀態(tài)，流量不斷增加提高了液盒內(nèi)部擾動，降低了黏性阻力損失。對比不同結(jié)構(gòu)肋陣參數(shù)的變化，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)肋高增加時，流量-阻力特性整體呈現(xiàn)向右上漂移趨勢；當(dāng)肋間距增加時，流量-阻力特性整體呈現(xiàn)向左漂移趨勢；當(dāng)單個肋橫截面積增加時，流量-阻力特性整體呈現(xiàn)向左漂移趨勢。

圖20 1～3號流量-阻力壓降

圖21 5～7號流量-阻力壓降

圖22 2、4、6號流量-阻力壓降

通過不同肋陣結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對液盒內(nèi)部阻力影響的分析可知，表貼式蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)液盒內(nèi)部加肋在強化液盒內(nèi)部沸騰換熱時，也提高了系統(tǒng)兩相流動阻力，熱負(fù)荷增加到一定程度后，阻力的增加意味著系統(tǒng)循環(huán)動力的減小，進(jìn)一步導(dǎo)致流量減小，液盒內(nèi)部回液不足，傳熱工況開始惡化。流量-阻力特性曲線的整體向左或右漂移說明系統(tǒng)對阻力增加較為敏感，因此系統(tǒng)在進(jìn)行沸騰強化換熱時，需結(jié)合系統(tǒng)回路的兩相流動阻力特點尋找最優(yōu)強化換熱肋陣結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

本文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(jié)構(gòu)對流動沸騰換熱與兩相壓降的影響規(guī)律進(jìn)行了實驗研究，實驗獲得了不同肋陣結(jié)構(gòu)的流動沸騰圖。對肋陣對強化流動沸騰換熱的因素進(jìn)行了分析，得到了不同肋陣結(jié)構(gòu)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。主要結(jié)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(fù)荷升高后，液盒內(nèi)不同肋陣結(jié)構(gòu)的流型均為泡態(tài)沸騰；對比不同肋陣結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)參數(shù)的變化導(dǎo)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(jìn)行強化時，要特別注意肋陣兩相流動阻力的變化。該研究結(jié)果為肋陣強化換熱結(jié)構(gòu)的選擇及在自循環(huán)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)中的設(shè)計應(yīng)用提供了重要的理論依據(jù)。

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Experimental Study on the Influence of Parameter Change of Square Rib on Flow Boiling Heat Transfer

Shi Yitao1Cao Rui1Ruan Lin1,2

（1. Institute of Electrical Engineering Chinese Academy of Sciences Beijing 100190 China 2. University of Chinese Academy of Sciences Beijing 100049 China）

To explore the influence of the change of rib structure parameters on the flow boiling heat transfer, a visual experimental study is carried out on the flow boiling heat transfer and two-phase pressure drop characteristics in the surface-mounted rib array liquid box. A liquid box with a cross-sectional area of 180 mm×20mm is used as the research object that was a visualized single-sided heating narrow rectangular structure. Seven kinds of rib array backplates with different rib heights, rib spacing, and rib cross-section were selected to study the flow boiling heat transfer characteristics in the liquid box. Through the visual observation of the boiling flow in the liquid box, it is found that The ribs significantly enhance the flow boiling heat transfer in the liquid box. Moreover, the study of the effect of different rib array parameters on boiling heat transfer found that with the change of rib array height and rib array spacing, the boiling heat transfer effect has an optimal value, and the boiling heat transfer coefficient increases as the cross-sectional area of the single rib increases. The flux-resistance pressure drop circulation characteristics in the liquid box are sensitive to the variation of the rib parameters, and the curves show the phenomenon of drifting to the left or the right in different degrees of drift with the changes of the rib array parameters. The research results provide an important basis for the engineering application of the square rib structure in the surface-mounted evaporative cooling system.

Surface mounted, rib array change, flow boiling, enhanced heat transfer, two-phase pressure drop

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210190

TM46

中國科學(xué)院前沿科學(xué)研究重點研究計劃資助項目（QYZDY-SSW-JSC026）。

2021-02-03

2021-10-10

史一濤 男，1986年生，博士，研究方向為電子裝備蒸發(fā)冷卻技術(shù)。E-mail：shiyitao@mail.iee.ac.cn

阮 琳 女，1976年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為電氣與電子裝備蒸發(fā)冷卻技術(shù)。E-mail：rosaline@mail.iee.ac.cn（通信作者）

（編輯 赫蕾）