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近年來，隨著電力電子設(shè)備朝著微型化、高熱流密度方向發(fā)展，散熱問題已經(jīng)成為制約其發(fā)展的瓶頸。沸騰換熱技術(shù)作為一種非常有前景的電力電子設(shè)備冷卻技術(shù)，具有換熱效率高、工質(zhì)用量少、均溫性好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到計算機(jī)、直流輸電、雷達(dá)、交通等領(lǐng)域。

顧國彪等指出，蒸發(fā)冷卻流動沸騰換熱技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，電力電子設(shè)備采用該技術(shù)后，體積和重量均減少40%以上，工程造價降低40%以上。阮琳等將表貼式蒸發(fā)冷卻流動沸騰換熱技術(shù)應(yīng)用到超級計算機(jī)上，液盒緊貼芯片表面，可實(shí)現(xiàn)芯片快速降溫，具有溫度分布均勻、芯片運(yùn)行溫度低、延長使用壽命等優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)可以降低超級計算機(jī)6.12%的散熱能量消耗。

曹瑞等利用參數(shù)化建模方法建立蒸發(fā)冷卻關(guān)鍵部件——液盒的數(shù)學(xué)模型，對其內(nèi)部汽液流程及溫度場進(jìn)行研究，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果最終確定了液盒結(jié)構(gòu)。郭朝紅等對不同兩相流型轉(zhuǎn)變準(zhǔn)則進(jìn)行研究，并提出了適用汽輪機(jī)線棒內(nèi)工質(zhì)兩相流型的轉(zhuǎn)變準(zhǔn)則。董海虹等人對不同回路高度對自循環(huán)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)傳熱性能的影響進(jìn)行了研究。

在流動沸騰換熱基礎(chǔ)上通過肋陣強(qiáng)化傳熱，可以進(jìn)一步提高電力電子設(shè)備冷卻能力。該技術(shù)迎合了其熱流密度快速增長的需要，正受到越來越多學(xué)者的關(guān)注。通過對相關(guān)學(xué)者的研究成果分析，發(fā)現(xiàn)肋陣結(jié)構(gòu)有利于汽泡的成核、生長、擾動，強(qiáng)化流動沸騰換熱過程，同時增加了兩相壓降損失，使流動沸騰機(jī)理更加復(fù)雜，現(xiàn)有文獻(xiàn)中關(guān)于肋陣結(jié)構(gòu)變化對自循環(huán)流動沸騰換熱影響的研究非常少。

因此，中國科學(xué)院電工研究所、中國科學(xué)院大學(xué)的研究人員采用可視化的研究手段，對方形肋陣表貼式蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)液盒內(nèi)不同肋高、間距、肋橫截面積的肋陣結(jié)構(gòu)對流動沸騰換熱與兩相壓降的影響規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，給出肋陣對汽泡沸騰過程的影響的可視化結(jié)果，對肋陣高度、間距、橫截面變化對沸騰換熱與兩相流動的影響進(jìn)行分析，得到了不同肋陣結(jié)構(gòu)對液盒內(nèi)部強(qiáng)化換熱效果與兩相壓降之間的變化規(guī)律。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

他們的主要結(jié)論如下：

1）通過可視化觀察發(fā)現(xiàn)，肋陣可以在液盒內(nèi)部形成尾跡擾動，同時在主流未飽和情況下，最先在肋表面生成汽泡，熱負(fù)荷升高后，液盒內(nèi)不同肋陣結(jié)構(gòu)的流型均為泡態(tài)沸騰；對比不同肋陣結(jié)構(gòu)對沸騰換熱的影響可以發(fā)現(xiàn)，肋高和間距對沸騰換熱的強(qiáng)化存在最優(yōu)值，同等情況下，優(yōu)先選擇提高肋間距來強(qiáng)化流動沸騰換熱。

2）根據(jù)液盒內(nèi)部兩相流動沸騰換熱的特點(diǎn)，建立了液盒內(nèi)部流動沸騰換熱計算模型，得到了液盒內(nèi)部不同肋陣結(jié)構(gòu)流動阻力循環(huán)特性均呈現(xiàn)二次曲線變化規(guī)律，肋陣結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化導(dǎo)致系統(tǒng)流動循環(huán)特性曲線整體漂移，流量的漂移是系統(tǒng)沸騰換熱效果及流型變化的定量化反映。

3）系統(tǒng)流動循環(huán)特性對強(qiáng)化換熱肋陣阻力變化的敏感性特點(diǎn)表明在對液盒內(nèi)流動沸騰換熱過程進(jìn)行強(qiáng)化時，要特別注意肋陣兩相流動阻力的變化。

該研究結(jié)果為肋陣強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)的選擇及在自循環(huán)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)中的設(shè)計應(yīng)用提供了重要的理論依據(jù)。

本文編自2022年第5期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“方形肋陣參數(shù)變化對流動沸騰換熱影響的實(shí)驗(yàn)研究”。論文第一作者為史一濤，1986年生，博士，研究方向?yàn)殡娮友b備蒸發(fā)冷卻技術(shù)。通訊作者為阮琳，1976年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡姎馀c電子裝備蒸發(fā)冷卻技術(shù)。本課題得到了中國科學(xué)院前沿科學(xué)研究重點(diǎn)研究計劃資助項(xiàng)目的支持。