金属粉末-微纤维复合多孔流动传热特性及相变界面迁移机理研究

A metal powder-microfiber composite porous wick is proposed to improve the operation of miniature loop heat pipe, which have some problems like temperature oscillations and startup threshold. The composite porous wick owns large aperture of powder pore and small aperture of fiber pore. The biporous structure can strengthen capillary suction and evaporation, and provide high capillary suction, low flow resistance, high surface evaporating rate and low effective thermal conductivity. According to the aim, the optimization of the composite porous structure is carried out. In this project, the manufacture method of metal powder-microfiber composite porous wick is researched. And the basic physical properties of the composite porous wick are measured and characterized. By the image analysis of the scanning electron microscope, the pore size distribution is obtained and applied to reconstruct the porous structure. Lattice Boltzmann method is used to simulate the phase change heat transfer and flow inside the composite porous media. The visualization experiment and LHP system are designed to verify the characteristics of the composite porous structure. Through the theoretical and experimental research, the phase change heat transfer and flow mechanism inside the composite porous media is described. The evaporating interface migration and the influence on temperature oscillations are analyzed. The composite porous wick with high performance is developed to realize the stable and efficient operation of loop heat pipe, which can strengthen the stability of the evaporating interface and reduce startup threshold. This project can promote the development of miniature LHP, and has important academic significance as well as engineering value.

本项目针对小型环路热管运行温度波动和启动阈值等问题，提出一种金属粉末-微纤维复合多孔毛细芯。该多孔毛细芯在粉末孔隙内布置微纤维，形成复合双孔径结构强化毛细抽吸与相变蒸发，具有高抽吸力、低流动阻力、高表面蒸发率、低有效热导率的特点。本项目从多孔毛细抽吸与流动减阻、高表面蒸发率与低有效热导率进行孔隙结构优化，制备金属粉末-微纤维复合多孔介质，设计实验对其基本物性测量和表征，利用三维重构和算法生成该特征的多孔结构，进行微介观的流动传热数值模拟，搭建可视化实验与LHP系统实验进行验证，确定金属粉末-微纤维复合多孔结构的设计。通过本项目的研究，建立复合多孔内多相流动和相变传热的机理模型，探究其内部相变界面迁移规律，揭示界面迁移对温度波动的影响机制，消除或削弱LHP运行中的温度波动，降低启动阈值，提高运行热流密度，以期解决微小型LHP应用的关键问题，具有重要的学术意义和工程价值。

环路热管是目前在电子器件散热领域有着良好应用前景的一种被动散热装置，其蒸发器内部的毛细芯对环路热管的运行性能起着关键影响。本项目提出一种新型金属粉末-微纤维新型复合毛细芯，通过在粉末孔隙内布置微纤维，形成复合双孔径结构强化毛细抽吸与相变蒸发。研究主要分为3个方面：新型复合毛细芯的制备；新型复合毛细芯的性能表征；理论预测与实验测试。主要研究内容及结果包括：（1）在本项目提出的金属粉末-微纤维复合毛细芯的基础上，设计了一系列本特征下的复合毛细芯，包括金属粉末-微纤维毛细芯、球形-树形粉末复合毛细芯、可变孔径毛细芯、泡沫金属基底-碳纳米管填充的复合毛细芯、金属-非金属复合毛细芯，适用于不同应用场合的高性能毛细芯。（2）对于研制的新型复合毛细芯，重点研究了该毛细芯的孔径分布、毛细抽吸性能、有效热导率、蒸发传热特性。通过孔径分布分析，发现这种复合毛细芯能实现双孔径结构，同时扩展了孔径分布的跨度。根据毛细抽吸过程曲线，该复合毛细芯呈现两个阶段的抽吸过程，预测这种特性与该毛细芯独特的孔径分布相关。该复合毛细芯能够实现较低的有效热导率，但是同时具有较高的局部热导率，强化当地的蒸发传热。设计了一种开口蒸发器方便快捷地测试毛细芯蒸发传热性能，并根据正交实验分析优化了金属粉末-微纤维复合毛细芯的设计。（3）采用格子Boltzmann方法模拟了不同截面通道内的毛细抽吸过程，发现了非圆截面通道内的主弯液面的毛细滞后，为毛细芯内的孔径设计与毛细润湿过程提供了理论基础。根据复合毛细芯开口蒸发传热实验测试，发现了蒸发器内存在蒸汽槽道沸腾与毛细芯内的弯液面蒸发两种传热模式。另外，根据不同材料和形貌的金属粉末组合，分析了其孔径分布特性及其对临界热流密度的影响。根据本部分内容研究，申请了可变孔径毛细芯、金属-非金属复合毛细芯等新型毛细芯专利，充分利用蒸发传热内的能量以及三维可扩展的传热界面，优化毛细芯的传热能力。