高频剧烈负荷冲击对微槽群结构热沉内流动换热特性的影响机理

A high power resistor and heat sink integrated in the cooling system has been developed which is used in ultra HVDC transmission system.The project studies the instability characteristics of the working fluid in the microgroove heat sink under the condition of high frequency and acute heat load impact.The experimental technology such as Micro-PIV particle image technology, high speed micro-photography, high precision infrared thermal imager and high speed data acquisition system are comprehensively used to synchronously measure the three dimensional distributions of working fluid, flow field, temperature field and the characteristic of the micro-bubble dynamics. The three dimensional flow, wetting, drying up and micro-bubble dynamics of the working fluid is theoretically studied by considering the high frequency and acute heat load impact as well as microscale effect. The mechanism of critical heat flux and high strength compound phase change heat transfer is illuminated in the thin liquid film evaporation of thin liquid film area near three phase contact line and nucleate boiling of thick liquid area.The microscale heat transfer theory under the condition of the multiphysics field will be developed and enriched. The design principle and optimization method would be acquired for the high power electronic devices cooling system.

基于已研发出的特高压直流输电系统中大功率陶瓷电阻本体与取热器一体化的集成冷却系统，本项目针对其中出现的高频剧烈热负荷冲击条件下，微槽群结构热沉内工质流动换热的不稳定特性进行系统深入的研究。综合利用Micro-PIV 粒子图像测速技术、超高速显微摄像仪、高精度红外热像仪、高频数据采集系统，实现对微细尺度结构热沉内工质的三维空间分布、流场、温度场及微汽泡动力学行为的同步测量，建立高频剧烈负荷波动和微尺度效应共同作用条件下，微槽群内工质的三维流动、润湿、干涸、微汽泡动力学行为的理论模型，阐明温度场、近壁应力场、毛细力场作用下三相接触线附近薄液膜区域内的薄液膜高强度蒸发和厚液膜区域内的液体核态沸腾的复合相变强化换热及发生临界热负荷的具体机理，发展和丰富多物理场耦合条件下的微细尺度强化换热研究理论，为大功率电力电子器件先进热管理系统的设计提供理论依据和优化方法。

在冷却系统运行过程中不可避免的遇到发热元件热负荷波动的状态，因此开展热负荷波动条件下微尺度结构内沸腾相变过程的研究，对于冷却系统的优化设计具有重要的指导意义。.本项目在导热性良好的紫铜表面加工了不同宽度和深度的微槽道，采用波形可任意调节的大功率电源控制热负荷的高频波动，测量了伴随高频剧烈负荷波动条件下的壁面温度、汽泡动力学特性等，借助LBM方法，开展热负荷波动条件下单个汽泡的动力学特性研究；为进一步揭示其中的微观机理，本项目采用具有高透光率、低膨胀率的石英玻璃微通道，借助Micro-PIV系统，研究了微通道内汽泡底部微液膜、弯月面区域分布及其内部的流场、动态接触角变化规律；利用激光共聚焦测量仪，对沸腾汽泡底部微液膜的动态变化过程及汽泡的周期性进行实时瞬态测量，在此基础上，进一步对不同工质条件下的薄液膜变化过程、汽泡动力学特性及流型进行了研究。.在阐释热负荷波动对沸腾相变传热过程影响机理的同时，本项目开展了如何适应发热元件热负荷波动方法的研究：一种是基于记忆合金可在特定温度条件下自发产生形状记忆回复的特性，开展了可变形结构对沸腾换热特性影响的实验研究，根据Zuber和Rohsenow等学者提出的传热模型，进行了记忆合金材料智能强化换热的相关机理研究；另一种是在阐明疏水表面能够提高换热系数、亲水表面延迟临界热流密度的机理基础上，提出了采用温度响应浸润性表面进行沸腾相变过程调控的方法，经过LBM模拟发现，温度响应浸润性表面在兼顾提高换热系数和临界热流密度方面具有优良的性能，且不需要外加动力和控制，是一种极具潜力的调控方法。上述研究成果在热管、毛细泵环、各种热沉等器件上具有广阔的应用前景。.本项目积极探索基础研究成果在工程实际中的应用，开展了大功率变频器散热系统，数据中心机房散热系统的设计与工程样机建设，经测试运行效果良好。