狭窄空间内乙二醇水溶液射流冲击沸腾传热的研究

To cater for the application environment of space cooling at reduced gravity and low temperature, this research proposal for the first time suggests using the jet impingement boiling in a narrowly confined space with 35% mass concentration of Ethylene-Glycol/Water Mixture as coolant, whose solidification temperature is about -20 Celsius Degree, to cool the large area and high heat flux heating surface. A comprehensive experimental system which operates in a closed loop manner will be designed and built. The experiments will be conducted under the atmospheric and sub-atmospheric pressure conditions respectively to study effects of jet diameter, jet impingement distance, jet velocity, subcooling, the interval between the jets and the jet array configuration (in-line or staggered) on the boiling heat transfer characteristics of single jet or jet array, through the observation of bubble dynamics during the boiling and the measurement of temperature distribution on the heating surface. The main heat transfer mechanism will be identified, and the experimental correlations on heat transfer coefficient and critical heat flux will be regressed. Boiling enhancement method, such as microporous coated surface with or without super-hydrophilic processing and the compound pin-fin and microporous coated surface with and without super-hydrophilic processing, will be investigated, the enhancement effects will be judged by comparing with plain surface, and the mechanism of heat transfer enhancement will be discussed.It is believed that the results from this study will be valuable for the development of future generation cooling technique for space applications.

考虑到空间应用环境低温和失重的特点，首次提出以质量浓度为35%的乙二醇水溶液(凝固点-20oC)在狭窄空间内射流冲击沸腾的方法实现对大面积、高热流密度加热表面的高效冷却。项目拟建立闭环运行的射流沸腾传热综合性实验平台，在常压和低于大气压力下进行实验研究，实现对狭窄空间内乙二醇水溶液射流沸腾汽泡动力学的可视化观察，考察射流孔径、受限空间高度、射流速度、过冷度和相变压力、射流间距和射流孔排布方式对单孔或阵列射流沸腾传热特性的影响，揭示传热机理，并数值拟合换热系数和临界热流密度的实验关联式。项目同时还将探索烧结多孔介质表面和针肋/烧结多孔介质复合强化表面及它们各自经亲水性处理后的强化表面对射流沸腾传热的强化效果和作用机理。研究成果不仅对未来空间高热流密度冷却技术的发展具有重要的参考价值，而且对射流沸腾传热相关科学理论的发展有重要的意义。

大面积、高热流冷却技术在国防、航空航天，以及其它工业领域的大功率电力、电子器件中具有重要的应用。射流沸腾冷却是目前最有应用前景的液体冷却技术之一。本项目搭建了具有除气、控压和控温能力的闭环射流冷却实验平台，开展了狭窄受限空间内阵列射流沸腾汽泡动力学、换热特性和性能的综合研究，考察了射流孔径、距离、速度、过冷度和相变压力，以及射流形式的影响，主要成果包括：1）汽泡成核从射流对冲区开始，随着热流密度增加往滞止区发展，大过冷度下汽泡无法脱离表面，而在成核点附近发生周期性生长和湮灭，从而引起测试段内的压力波动，其频谱分布和不同大小汽泡的周期相对应。在热流密度较高时，大汽泡表面会喷射出大量小汽泡，即发生微汽泡射流沸腾；2）随着沸腾的发展，射流距离、速度和入口温度的影响变小，换热以核态沸腾为主。这些因素对于临界热流密度（一般在射流对冲区）却有重要影响，射流速度越高、入口温度越低，临界热流密度越大，但是存在最佳射流距离使临界热流密度最大。增加背压，可延迟沸腾发生、增大沸腾换热系数、提高临界热流密度，因此，在壁面过热度允许的情况下，可作为强化射流沸腾的一种手段。另外，由于射流沸腾汽泡一般不脱离壁面，因此，从核态沸腾到膜态沸腾的过渡非常突然，在应用中需要引起重视；3）肋片表面能够显著提高射流沸腾换热系数和临界热流密度，同时使得换热更加均匀；（4）采用分布式射流，可以消除横流作用，提高整体换热系数和临界热流密度，同时由于其将加热面单元化，理论上换热面大小将不对其性能产生实质影响，因此，这种射流方式在超大面积均匀冷却中具有独特优势；5）采用射流/微通道混合型蒸发器，不但可以提高微通道冷却的均温性和临界热流密度，而且能减小压降、以及安置方向对换热的影响。本项目的成果不仅为列射流冷却在大面积、高热流冷却中的应用提供了依据和参考，而且对完善射流沸腾理论有较高的意义。