合成双射流多场雾化机理与喷雾强化换热控制研究

The continuous improvement of the performance, miniaturization and integration of an information system leads to a sharp increase of its heat flux density. The compact and high heat flux cooling has become a fundamental restrict in the development of an information system. The miniaturization, low cost, high performance, easy control and vector function of dual synthetic jets make it have strong technical advantages in heat transfer enhancement. An miniaturization spay cooling method is proposed based on the owned high-performance dual-synthetic-jets technology. The matching design of a dual-synthetic-jets actuator and a spray module is carried out to develop an spray cooling integrated prototype based on the theoretical analysis, numerical simulation and experimental research. The synergetic effect of acoustic field, pressure field and velocity field (including vortical structures) on the atomization performance is analyzed to reveal the multi-field atomization mechanism of dual synthetic jets so as to improve the atomization quality. The influence of gas-liquid-solid interactions on heat-mass transfer and the mechanism of heat transfer enhancement is investigated to enhance heat transfer performance by analyzing the processes of droplet collision, liquid film flow and heat transfer. The heat transport law of dual-synthetic-jets spray cooling is analyzed to complete the design of integrated cooling control system. The stable and effective control for heat transfer performance is realized to provide a compact and high efficient thermal management technology for a information system with high heat flux density.

信息化系统的性能、微小型和集成化程度不断提升，使得其热流密度急剧增加，紧凑型高热流散热已成为信息化系统发展的一个根本性制约因素。合成双射流小型化、低成本、高性能、易控制和矢量功能使其在强化换热领域具有较强技术优势。本项目基于自主知识产权的高性能合成双射流技术，提出一种小型化高热流喷雾冷却方法。采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合，开展合成双射流激励器与喷雾模块的匹配设计，研制合成双射流喷雾冷却一体化样机；分析声场-压力场-速度场（涡结构）多场协同作用对雾化性能的影响，揭示合成双射流多场雾化机理，提升雾化质量；分析雾化液滴碰撞、液膜流动和传热过程，研究气-液-固相互作用对热质传递的影响规律和强化换热机理，增强换热性能；分析合成双射流喷雾冷却系统热能输运规律，完成散热控制系统设计集成，实现换热性能稳定、有效控制，为高热流信息化系统提供了一种紧凑型高效热管理技术。

为进一步增强高热流散热能力和促进信息系统微小型化、集成化，本项目提出一种合成双射流射流冲击冷却与喷雾冷却相结合的创新性冷却技术，不仅具有合成双射流结构紧凑、能耗和成本低、易于操控和独特矢量控制等特点，还兼具射流冲击冷却和喷雾冷却换热能力强的优点。研究合成双射流多场协同雾化机理和强化换热特性，优化高热流冷却技术的换热性能，为高热流信息化系统提供一种低成本紧凑型高效热管理技术。具体包括：. （1）解决了合成双射流自给问题，进一步提升合成双射流性能，通过实验与仿真相结合的方法证明了新型出口设计能够有效缓解合成双射流的自给效应，将传统的合成双射流速度核心区的穿透深度以及流向动量大小提升30%以上，并证明了流向动量的自相似性，能够高效快速地计算出合成射流/合成双射流对流场实施有效控制时所需参数。. （2）将超声微孔雾化片与合成双射流激励器进行直接组合，结合了合成双射流流场特性与微孔雾化片的雾化特性。对其流场，喷雾特征以及散热特性进行了研究，不仅雾滴尺寸小，雾化量大，研究表明，还可通过电信号对雾滴速度，喷雾张角进行主动控制，其丰富的涡结构和高湍流度利于热交换。. （3）发展了新型合成双射流雾化技术，由高频高速的合成双射流将液膜冲击破碎成细小颗粒，实现雾化。. （4）发明了矢量合成双射流喷雾激励器，依靠不同型号膜片对相同驱动电信号的不同响应情况产生非对称合成射流，最终实现矢量喷雾功能。在对靶板进行冲击冷却时，能够直接控制喷雾矢量角精准去除高温点或高温区。.（5）设计并研究了一种紧凑型无泵自循环的喷雾冷却散热系统。不需要额外的驱动能耗，合成喷雾的蒸发压升足以驱动工质的自循环过程。建立了散热系统冷却能力的实验无量纲关联式，误差在±18%之间。.相关研究发表学术论文35篇，授权发明专利1项，培养中青年学术带头人2人，培养硕博士毕业生11人。课题负责人作为大会主席举办国际学术研讨会1次和全国性学术会议1次。