EHD效应对微纳复合亲疏水混合槽群结构热沉内润湿与汽泡动力学特性的影响研究

Open capillary microgrooves heat sink is a passive device which is characterized by combined phase-change heat transfer, which results from the intensive evaporation of the thin film region, and the nucleate boiling of the thick film region. In order to solve the short of capillary wetting performance in the thin film region and the problem of micro bubbles detachment in the thick film region during the applications of microgrooves heat sink in the high power density power electronics field. This research investigate the Electrohydrodynamics (EHD) effect on the wetting performance and the bubble dynamic behaviors at hybrid micro-nano structured thermal interfaces of open capillary microgrooves heat sink with mixed wettability surfaces. Parameters for EHD effects of different electric field strength and electric field distribution, hybrid micro-nano structures of mixed wettability surfaces can be regulated, respectively, in this research. Experiments, combined with theoretical analysis and numerical simulation will be conducted in this research, so as to reveal the specific mechanism of EHD effect on the heat transfer coefficient (HTC) and critical heat flux (CHF) at hybrid micro-nano structured thermal interfaces of open capillary microgrooves heat sink with mixed wettability surfaces. It provides a theoretical basis and method for the design of thermal management system of high power density power electronic equipment, and it is of significance for promoting the development of power electronics technology.

为解决目前微槽群复合相变传热技术在大功率高功率密度电力电子器件应用方面面临的热沉内毛细润湿能力不足及界面汽泡难以脱离带来的换热能力恶化等问题，本项目拟利用电水动力学（EHD）效应对微纳复合亲疏水混合槽群结构热沉内进行润湿及汽泡动力学特性的影响研究。项目采取实验研究为主，理论分析及数值模拟同时进行的研究方案，阐明EHD效应和尺寸效应对微纳复合亲疏水混合槽群结构热沉内的毛细润湿、流动、汽泡动力学特性的影响规律；得到强化特定微槽群热沉内润湿特性效果最优的亲疏水混合表面的加工工艺尺寸，高压电场效果最优的实验参数，以及电场消耗的热功率与强化槽群结构热沉内毛细润湿长度及复合相变换热系数之间的效率关系；最终揭示EHD效应对微纳复合亲疏水混合槽群结构热沉内复合相变传热及临界热流发生的具体机理。为大功率高功率密度电力电子设备的热管理系统设计提供理论依据和方法，对促进电力电子技术的发展具有重要意义。

在传热表面构筑微纳复合结构可实现传热性能的较大提升，而工作于强电场环境下电力电子设备的热管理系统，其工质流动和换热特性本来也都受到电场力EHD效应的影响。本项目利用EHD效应研究其对微纳复合槽群结构热沉内的润湿与汽泡动力学特性的影响，对于改善微槽群热沉易干涸的难题，从而促进液膜高强度相变换热能力的发生。因此，本项目对于微纳结构表面热沉应用于电力电子器件、设备等领域的热管理结构优化设计具有重要的科学意义和理论基础。本项目采用理论分析和实验研究相结合的方式进行：（1）在自适应理论的基础上，发展了预测电场作用下矩形开放式微槽群热沉内液体润湿长度的轴向流动模型，并与实验数据进行了对比验证，吻合较好；（2）采用MEMS加工技术构筑了微纳复合槽群结构，评价和阐明了纳米涂层的尺寸效应、润湿效应对槽群结构的毛细性能的影响机制；（3）采用理论和实验相结合的方式对槽群结构热沉内电场作用下的液体润湿动力学特性开展系统的研究，拟合的关联式可用来预测微纳槽群热沉内液体在EHD效应下的润湿动力学特性；（4）当热流密度较高时，考虑EHD效应、尺寸效应、润湿效应，进行了EHD效应对微纳复合亲疏水混合槽群结构热沉内液体汽泡动力学特性的研究；（5）进一步的，系统研究了不同电极布置下的EHD效应对微纳复合槽群结构热沉强化传热特性的影响，获得了强化传热特性效果最优及经济性最优的实验参数，在最佳电场作用下，功耗最高仅为0.3W，壁面过热度降低41%，局部换热系数提高30%。为电力电子器件热管理的工程应用奠定了理论基础。本项目已发表学术论文6篇，其中国际期刊论文4篇，3篇为中科院二区及以上期刊，国际国内会议2篇。培养硕博士研究生3名。