环路热管蒸发器内汽液两相流动及传热的数值分析与实验研究

环路热管技术是目前非常具有前途的热管理方案，在解决高端电子设备散热需求中有重要应用。由于可靠性问题和热性能还不能完全满足工业应用的需求，微小型环路热管技术离实际应用尚有一定距离。结合项目申请人发展的一种新型环路热管蒸发器结构，本课题拟应用理论分析、数值模拟和实验验证相结合的方法，开展平板环路热管系统汽液两相流动和传热规律的研究，探讨系统的优化设计，提高环路热管系统的热性能，从而发展出能够满足下一代高功率电子芯片散热需求的微小型环路热管。研究的主要内容为：（1）研究汽液界面在毛细芯内部随加热功率增加而演化的过程，分析该新型环路热管蒸发器所具有的传热极限；（2）通过无量纲化分析的方法，适当对描述环路热管蒸发器的数学模型进行简化，建立起准三维传热数值优化模型，开展结构优化研究；（3）在上述研究的基础上，研制出实用的、高性能的微小型环路热管样品，进行热性能试验验证。

随着移动通讯设备、掌上多媒体设备、LED照明的发展，微小型、高热流密度电子设备的散热需求越来越受到关注。本课题的研究背景即面向该类设备的微小型环路热管的研究。本项目对以下内容开展了研究工作：（1）环路热管（及重力环路热管）的可视化研究；（2）超薄平板热管的实验研究及理论分析；（3）纳米流体在热管中的应用探索；（4）微小型环路热管的研制。取得的主要成果包括：（1）在环路热管可视化发面，观测得到在重力辅助作用下环路热管重要组成部件蒸发器内部工质各个阶段的运行情况，得到各运行过程的流型图，并结合温度监测数据、压降模型等分析环路热管运行机理；通过改变样品的充液量、加热功率及冷却方式等实验变量得到一系列的实验工况模拟重力环路热管的实际运行情况，并获得环路重力热管的最佳充液率。并对不凝性气体对环路热管的启动和运行进行了观测，得到不凝性气体影响环路热管运行的直观解释。（2）在超薄热管的实验研究及理论分析方面，本研究项目提出了一种新型超薄平板热管，整体厚度2 mm，内部空间高度小于1 mm（目前课题组可以做到整体厚度0.6mm，相关结果在准备发表中）。采用新颖的烧结铜粉结构毛细芯，所设计平板热管呈现出良好的均温性和抗重力性，并且可以承受很高的加热功率（120W/cm2）。同时具有结构简易、成本低廉、安装方便等优点，可以很好地满足小型电子器件的散热需求。在理论研究方面， 针对平板热管利用商业软件Fluent进行了数值分析，并与实验结果对比。得到不同热流密度下平板热管的传热的特性和内部工质的流动特性。（3）在纳米流体作为高性能热管工质的探索研究方面，将纳米流体和多孔材料表面结合起来研究其强化换热能力。通过利用烧结铜多孔材料表面、铜光洁表面作为沸腾表面；纳米流体、去离子化水作为工质系统地进行组合实验，同时利用高速摄像仪对上述实验进行了可视化观察，记录了各自沸腾前后的实验现象。比较分析了不同浓度下氧化铝和氧化铜纳米流体的换热能力，利用两种纳米流体在光洁表面上的实验数据对于纳米流体沸腾换热公式进行了拟合，获得了相应的纳米流体沸腾换热公式；（4）完成了高性能微小型环路热管样品的研制。