热管散热模组在机载电子设备热设计中的应用

针对机载电子设备的高热流密度和关键器件的高功耗,采用相变传热的微热管散热技术,在保持原受限空间和模块安装方式的前提下,研制出不同结构形式的热管散热模组。其结果证明,在满足机载使用要求和工作条件下,热管散热模组能有效解决高功耗器件的散热问题,实现电子模块的控温和均温,突破了机载电子设备结构热设计的瓶颈。本文结合实例从微热管结构对传热性能的影响研究、热管散热模组研制、数值模拟等方面介绍热管散热模组在机载电子设备热设计中的应用,为微热管散热技术在机载电子产品领域的工程应用提供了重要的参考价值。     

仿生毛细芯平板热管性能研究

为解决电子设备热管理问题，根据亲水性植物叶片表面微观凸起结构，以颗粒直径为75μm的电解铜粉为材料烧结制备了锥形毛细芯，制造了3种平板热管:普通蒸发段（No.1）、超亲水蒸发段（No.2）、超亲水蒸发段与超疏水冷凝段匹配（No.3）。以去离子水为工质，研究了加热功率、角度等因素对3种平板热管热性能的影响。结果表明:角度对3种平板热管的热性能影响不大，3种平板热管均具有较好的抗重力特性。超亲水蒸发段与超疏水冷凝段匹配的平板热管热性能最佳，当倾斜角为0°、加热功率为140.4W时，蒸发段中心点温度仅为67.0℃。超亲水蒸发段与超疏水冷凝段匹配的平板热管不仅具有最小蒸发热阻，最小值可达0.05K/W，而且具有最小冷凝热阻，最小值可达0.02K/W。      

不同加热功率条件下钠钾合金热管启动和传热性能

以钠钾合金（NaK-55）为工质进行实验，分别在800、1000、1200、1400、1600W的加热功率条件下对钠钾合金热管的启动和传热性能进行研究。实验结果表明:在800~1600W加热功率范围内，在冷却水冷却条件下，该钠钾合金热管可以完全启动并进入稳定工作状态。随着加热功率的提高，热管外壁面温度整体略有增加，冷凝段启动时间缩短，钠钾合金热管的当量传热系数、蒸发区表面传热系数、冷凝区表面传热系数随加热功率的提高成线性增加。      

不同加热功率条件下钠钾合金热管启动和传热性能

以钠钾合金(NaK-55)为工质进行实验,分别在800、1 000、1 200、1 400、1 600W的加热功率条件下对钠钾合金热管的启动和传热性能进行研究。实验结果表明:在800～1 600W加热功率范围内,在冷却水冷却条件下,该钠钾合金热管可以完全启动并进入稳定工作状态。随着加热功率的提高,热管外壁面温度整体略有增加,冷凝段启动时间缩短,钠钾合金热管的当量传热系数、蒸发区表面传热系数、冷凝区表面传热系数随加热功率的提高成线性增加。     

深冷环路热管稳态运行特性的理论分析

基于能量平衡、压力平衡以及质量守恒,建立了氮工质深冷环路热管(CLHP)的稳态数学模型,模拟结果同实验数据具有良好的一致性.应用该模型对CLHP的稳态运行特性进行了理论分析,考察了寄生热载荷、次蒸发器功率等对CLHP运行性能的影响,并得出如下结论:同常温环路热管相比,CLHP的传热能力明显减小;当主蒸发器热载荷较小时,寄生热载荷以及反重力高度的存在使CLHP的稳态运行温度明显升高,而通过对次蒸发器施加功率可显著改善CLHP的工作性能;CLHP最高运行温度/压力随储气室容积的增大而减小,相应的,其最大传热能力将受到限制.      

小型平板回路热管蒸发器内传热与流动的三维数值模拟

针对小型平板回路热管蒸发器内的流动与传热，建立了多区域耦合的数学物理模型，并应用FLUENT软件进行了三维数值模拟。结果表明:蒸发器传热特性在不同热负荷下呈现出较大的差异，其温度分布不仅取决于热负荷，更依赖于毛细芯表面发生的两种传热机制，即毛细蒸发和热传导。相比高热负荷(Q=120W)和低热负荷(Q=40W)，中等热负荷(Q=80W)下蒸发器各个部位的温度均较低。三种不同热负荷下，毛细芯反向导热均大于侧壁漏热，补偿腔内与毛细芯相邻处易出现高温区。冷凝回流液在补偿腔内的流动形成两个涡，这种流动特点有利于降低毛细芯的温度。当热负荷与系统冷凝能力匹配时，整个系统流动与传热特性最优。      

一种微小型平板式热管的传热性能分析

对一种微小型平板式热管的传热特性在自然对流和强制对流冷却条件下进行了试验研究.并与同尺寸实心铝板的传热性能进行了试验对比.分析了加热功率、冷却强度的变化对平板热管传热性能的影响规律.结果表明:该微小型平板式热管具有良好的启动特性和均温特性.该平板热管的当量导热系数可达到其管壳材料导热系数的12.7倍,强化传热能力的效果相当明显,又克服了传统平板热管抗压能力较差、无法加工较大散热面积的弱点,在电子设备的散热冷却领域具有良好的应用前景.      

高温热管性能分析与试验

设计并制备了钠工质、高温合金管壳的丝网型高温热管,测试并分析了在辐射和自然对流散热条件下不同加热功率和不同倾角对热管启动特性和稳态工作后等温性能的影响。结果表明,钠高温热管在不同倾角下都可顺利启动,而且随着加热功率的增加,钠高温热管启动时间越短,但倾角对启动时间影响不大。在倒置45°和倒置90°倾角时,在较大功率下热管的蒸发段出现温度激增现象,分析认为是由于丝网吸液芯毛细力不足导致蒸发段出现工质干涸造成的,说明已经达到了热管的毛细极限。     

重力辅助环路热管稳态运行特性的实验研究

 随着环路热管应用领域不断扩展,其可能在各种姿态下运行,包括重力辅助姿态。对环路热管在重力辅助姿态下的稳态运行规律和特性进行了实验研究,并同平放及反重力条件下的运行特性进行了比较。通过实验可得出,在重力辅助姿态下,环路热管存在两种驱动模式,即重力单独驱动模式和毛细力与重力共同驱动模式。当热载荷较小时,环路热管工作在重力单独驱动模式,蒸汽管线内为气液两相工质,回流液体对储液器的冷却作用加强,运行温度明显低于平放及反重力条件下之值,热导显著增大;当热载荷大于某一临界值,环路热管工作在毛细力与重力共同驱动模式,蒸汽管线内为单相蒸汽,运行温度同平放及反重力条件下之值基本一致。最后,从环路热管系统压力平衡和储液器能量平衡的角度对上述实验现象进行了解释和分析。     

机载热管的可行性研究和优化设计

针对热管用于机载设备散热的可行性和实际性能进行了分析计算,并对机载热管进行了优化设计,结果表明:有效长度为0.12m的微槽道平板热管沿轴向抗反向加速度能力达-1.2g,完全可以克服大型飞机机动飞行时加速度和方位角变化对热管工作的不利影响,经过优化,此时热管的传热能力达10W/cm2,传热温差仅15.303K,完全可以满...     

碳纳米管悬浮液强化重力型平板热管性能的实验

以带有微槽道强化传热面的小型重力型平板热管蒸发器为研究对象,以水-多壁碳纳米管(CNT)组成的纳米悬浮液为工质,在不同运行压力和不同悬浮液质量浓度下对热管蒸发器的沸腾换热特性以及临界热通量(CHF)进行了实验研究.研究证明:以水-多壁碳纳米管组成的纳米悬浮液可以明显地强化重力型平板热管蒸发器的换热特性.沸腾换热系数强化率和CHF强化率随压力降低而大幅度增加.悬浮液质量浓度对沸腾换热系数和CHF也有重要影响,在低质量浓度时,沸腾换热系数和CHF随质量浓度增加而缓慢增加.但是在质量浓度超过2.0%时,质量浓度的影响基本消失.      

轴承腔油气两相介质流动与热分析

为获得轴承腔油气两相介质流动与热分析计算方法,探究轴承腔油气两相介质流动换热规律。以某发动机轴承腔结构为对象,运用CFD方法分析轴承腔中两相介质流动速度、温度分布、体积分数和传热系数分布。基于试验获取轴承腔内外不同位置局部温度,利用温度梯度法计算热流获得传热系数。结果表明:两相介质的流动速度随径向高度增大呈现先增大后减小趋势,在无量纲径向高度为0.6时流速最大。轴承腔中转子及壁面之间的区域两相介质的温度随径向坐标增大呈现先减小后增大趋势。轴承腔内滑油主要分布在回油池及轴承腔外壁面上,回油池旁边其剪力分量和重力方向一致区域的油膜较薄,局部传热系数较小,其方向相反区域的油膜较厚,局部传热系数较大。      

液体火箭发动机推力室复合冷却流动与传热研究

为了预测液体火箭发动机推力室的复合冷却性能,建立了推力室再生冷却通道和超临界氢的三维仿真模型以及推力室内燃气和超临界氢膜的轴对称二维仿真模型。通过边界耦合发展了液体火箭发动机推力室复合冷却流动与传热的数值仿真方法。对航天飞机主发动机推力室内部燃气、超临界冷却膜、室壁和再生冷却剂进行了流动与传热耦合计算仿真研究。研究表明,仿真方法可较好地预测推力室燃气及再生冷却剂的流动和传热,计算得到航天飞机主发动机的燃气侧壁面最高热流密度为129MW/m2,最高壁温为885K,冷却剂温升为192K,压降为8.8MPa,结果与已有数据吻合较好。模型和仿真方法可用于液体火箭发动机推力室冷却系统传热计算和冷却结构的优化设计。     

超临界RP-3管内换热特性实验

实验研究了超临界RP-3管内换热特性。实验段为2100mm长、外径2.2mm,内径1.8mm不锈钢管(材质:1Cr18Ni9Ti)。RP-3在5MPa压力下流经该实验管,采用近似等热流加热方式将其从127℃加热至427℃。通过测量0min,20min,30min,45min和60min时管外壁和流体温度得到管内对流换热系数hin沿流向分布、结焦对管内传热系数Kin影响。研究结果表明:在远离临界点的亚临界区域,hin随着RP-3温度上升逐渐增大;在近临界区管内对流换热系数迅速增加;而进入超临界区域后,hin保持在1.8×104W/(m·℃)附近;结焦对管内传热影响显著,Kin随结焦增多逐渐降低,而降幅逐渐减小。     

叶片内部蒸汽冷却的数值模拟

在某燃气轮机第二级导向叶片的基础上,对叶片内部进行了设计并采用内部蒸汽冷却方式.采用非结构化网格和Realizable k-ε紊流模型,对同时带15°,30°和45°肋的叶片内外流场以及叶片本身进行了三维热耦合的定常数值模拟.热耦合采用在流固耦合面的热对流和固体导热来实现.内部冷却介质选用比空气热容大,粘度低的水蒸汽.结果表明:带肋的通道流场非常复杂,扰流肋的存在使各壁面的换热都得到了增强,相对于光滑通道换热显著,有明显的冷却痕迹,冷却效果明显;采用蒸汽冷却比用空气冷却效果要好;压力面温度普遍低于吸力面温度.      

高温下加热/冷却管内参与性介质的辐射与对流耦合换热研究

本文通过数值模拟方法研究了高温下加热/冷却管内层流充分发展流动的参与性介质热起始段的辐射与对流耦合换热。采用离散坐标法求解圆柱坐标系下的非线性积分微分辐射传递方程,采用有限差分法求解辐射与对流的耦合换热能量方程。通过计算,分析了不同壁温及入口温度下,介质导热系数、壁面发射率、介质散射反照率及散射相函数等因素对局部努谢尔数、壁面热流密度及有效加热/冷却长度的影响,并同时采用努谢尔数和壁面热流密度评价了耦合换热中辐射对对流换热的影响。