相变纳胶囊悬浮液微阵列射流冲击的换热机理及微观输运特征研究

Based on the effective cooling for high heat flux of large power electronic devices, the project proposes a novel cooling method of micro-jet array with nano-encapsulated phase change slurry (NPCS). This method combines the high heat transfer rate of micro-jet array and the thermal enhancement and temperature control features of NPCS. The related experimental and numerical researches are conducted. A test apparatus of micro-jet array is built to analyze the effects of NPCS thermal properties, jet geometric parameters and impingement surface structure. The correlations of pressure drop and Nusselt number for the combination of solid-liquid phase change, nano-fluid flow and micro-jet array are established. The macro properties models of phase change nano-capsule and NPCS are developed from the view of microscopic. Then, a coupled model, which could describe the phase change feature and two phase flow of nano-fluid with micro-scale, is built. The effects of solid-liquid phase change and micro motion for nano-encapsulation particles on flow and heat transfer are revealed. The current project will clarify the flow and heat transfer mechanisms of micro-jet array with NPCS. It is expected to provide a theoretical guidance for the design of effective cooling technology of large power electronic devices.

针对大功率电子元器件高热流密度散热的需求，结合微阵列射流的高效换热性能和相变纳胶囊悬浮液的强化换热及温控特点，本项目提出相变纳胶囊悬浮液微阵列射流冷却方式，通过实验和数值模拟开展其换热机理和微观输运特征研究。实验研究方面，通过搭建微阵列射流实验装置，系统分析工质参数、射流结构参数、冲击面结构等因素对微阵列射流冲击换热的影响规律，构建固液相变/纳米流体对流/微阵列射流三者相结合的压降和Nu数关联式体系；数值模拟方面，从微观尺度建立相变纳胶囊及其悬浮液的宏观输运参数预测模型，在此基础上建立可描述微观尺度下固液相变特征与纳米流体两相对流换热的耦合模型，深入刻画微尺度下固液相变、纳米颗粒微运动等微观输运特征对微阵列射流换热的作用机制。项目旨在全面揭示相变纳胶囊悬浮液微阵列射流冲击的流动与热传输机理，为大功率电子设备的新型高效冷却方案设计提供理论指导。

本项目针对大功率电子元器件高热流密度散热的需求，结合射流冲击的高效换热性能和相变胶囊悬浮液的强化换热及温控特点，提出相变胶囊悬浮液射流冲击冷却方式。项目围绕该新型散热冷却方案，通过理论、实验和数值模拟相结合开展了相变胶囊悬浮液射流冲击换热机理研究。当前研究揭示了相变材料用于承载温控结构的非稳态热响应机制，阐明了相变胶囊悬浮液用于射流冲击的强化换热机理，系统分析了悬浮液工质参数、射流结构、囊芯相变特性对射流冲击换热的参数影响规律，建立了相变胶囊悬浮液物性参数预测模型和胶囊单体颗粒熔化时间计算模型。通过本项目的研究发现，相变材料应用于结构承载件可使其温控时间延迟1.5倍；相变胶囊悬浮液囊芯相变材料的潜热吸收可以将射流冲击的换热系数提高32.8%，过高的悬浮液浓度导致其强化换热效果受到抑制，悬浮液的最佳射流间距位于其势流核心附近；由于悬浮液物性参数和相变潜热吸收对其换热性能的竞争因素，使得悬浮液仅在一定的射流入口温度区间内具有强化换热的效果，其最佳射流入口温度低于囊芯相变材料的熔化峰值温度，过高或过低的射流入口温度均会导致换热效果出现恶化。本项目的研究成果有望为大功率电子器件的高效冷却方案设计提供新思路，同时对相变胶囊悬浮液在实际工程中的强化换热应用提供实验和理论支撑。