丁乙苧，耿麗萍，毛佳妮，王玉剛，周靜偉

(中國計量大學(xué) 計量測試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

供液結(jié)構(gòu)對毛細芯微槽蒸發(fā)器流動傳熱的影響

丁乙苧，耿麗萍，毛佳妮，王玉剛，周靜偉

(中國計量大學(xué) 計量測試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

為了探索大功率器件熱控系統(tǒng)采用毛細芯微槽蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，特建立了基于多孔介質(zhì)模型的微小槽道蒸發(fā)器數(shù)值計算單元，采用CFD研究了儲液腔布置位置、供液口位置對兩相流動與傳熱過程的影響.仿真結(jié)果得到儲液腔位置對于毛細芯微槽蒸發(fā)器的換熱性能、均溫性和進出口壓降影響顯著，其中底部布置儲液腔的蒸發(fā)器更具優(yōu)勢；在底部布置儲液腔情況下，不同供液口位置影響作用不明顯.以上結(jié)論為提高毛細芯微槽蒸發(fā)器的流動傳熱特性提供了參考數(shù)據(jù).

毛細芯；兩相冷卻；數(shù)值模擬

Abstract: A porous wick micro-channel evaporator which is widely used in high power electronic equipment cooling system, was designed. The numerical domain of the evaporator was established. The influence of the liquid storage chamber position and the evaporator entrance location on the heat transfer as well as flow resistance was studied by using CFD. The results showed that the position of the liquid storage chamber in the porous wick micro-channel evaporator had an important influence on heat transfer characteristics or flow resistance. The arrangement of the liquid storage chamber at the bottom of the evaporator was better than the arrangement of the liquid storage chamber at the side of the evaporator and the effect of the entrance location in the evaporator was not obvious. These optimization results provide reference data for improving the performance of porous wick micro-channel evaporators.

Keywords: porous wick; two-phase cooling; numerical simulation

系統(tǒng)設(shè)備集成度持續(xù)提高是目前電力電子行業(yè)發(fā)展一大趨勢.高集成度使熱流密度急劇增加，這對元器件散熱用換熱器的性能提出了更高要求.蒸發(fā)冷卻技術(shù)因利用工質(zhì)潛熱帶走更多熱量而被引入高熱流密度、高可靠性要求的電子和電力設(shè)備的散熱應(yīng)用中.對于如晶閘管等大功率設(shè)備的散熱，環(huán)路蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)是更加可行的散熱方案.

多孔介質(zhì)因其具有比表面積大、導(dǎo)熱性能好等優(yōu)勢，在強化傳熱等領(lǐng)域得到廣泛重視[1]。其中研究者針對結(jié)合多孔介質(zhì)與輸氣槽道的毛細芯微槽蒸發(fā)器展開了大量研究?，F(xiàn)有的大多數(shù)文獻對于蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)影響換熱性能的研究工作主要集中在槽道尺寸.

ZHANG[3]等對應(yīng)用于微型環(huán)路熱管的平板換熱器中毛細槽道結(jié)構(gòu)尺寸進行數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明深寬比為1、翅寬比在0.5～1之間時溫度性能最佳.范春利[4]等通過實驗研究三組應(yīng)用于熱管的槽道結(jié)構(gòu)對于傳熱性能的影響，其中深寬為1.5:0.3的槽道傳熱性能優(yōu)于深寬為0.9:0.3的槽道.胡耀華[5]對矩形毛細微槽豎直板進行相變換熱特性實驗研究，槽道深度是槽道寬度3倍以上換熱效果顯著.

另一些蒸發(fā)器換熱性能影響因素同樣是研究重點，比如劉志春、曲偉等選取蒸發(fā)器二維結(jié)構(gòu)模型，對毛細泵回路啟動特性、高熱流密度、側(cè)壁導(dǎo)熱效應(yīng)等方面進行了數(shù)值研究[6]。還有一些研究者選取蒸發(fā)器的一部分對稱結(jié)構(gòu)，建立三維計算單元模型，對其毛細芯相變機理和啟動過程進行傳熱傳質(zhì)數(shù)值模擬研究[9].

從以上分析可以看出，影響毛細芯微槽蒸發(fā)器冷卻效果的因素很多，在將其投入電力設(shè)備的冷卻應(yīng)用之前，尚有許多研究工作需要進行，如入口流量、溫度、熱負荷等外部參數(shù)，以及毛細芯孔隙率、儲液腔結(jié)構(gòu)參數(shù)等內(nèi)部結(jié)構(gòu)因素對蒸發(fā)冷卻的影響。本文以晶閘管的單面冷卻為對象，設(shè)計了毛細芯微槽蒸發(fā)器(porous wick micro-channel evaporator，PWMCE)，建立蒸發(fā)冷卻計算單元模型，研究儲液腔布置位置、蒸發(fā)器供液口位置對蒸發(fā)換熱性能的影響，欲為環(huán)路蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計提供參考.

1 蒸發(fā)器模型

應(yīng)用毛細芯微槽蒸發(fā)器的環(huán)路蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)原理如圖1，由毛細芯微槽蒸發(fā)器、蠕動泵、冷凝器、氣體管路以及液體管路組成.其中毛細芯微槽蒸發(fā)器的設(shè)計至關(guān)重要，它直接影響液態(tài)工質(zhì)流動分布及氣態(tài)工質(zhì)輸運順暢性，間接影響環(huán)路蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)正常啟動，最終影響蒸發(fā)器換熱性能.

本文研究的毛細芯微槽蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)如圖2和圖3，包括補償腔、儲液腔、毛細芯、槽道、集氣室、支撐架、補償腔擋板以及集氣室擋板.蒸發(fā)器頂部內(nèi)壁面平行開設(shè)多條輸運蒸汽用槽道；毛細芯與槽道翅片緊密貼合，熱源熱量通過翅片傳導(dǎo)至毛細芯，使其內(nèi)部工質(zhì)吸熱相變；支撐架將毛細芯固定于蒸發(fā)器內(nèi)部空間，同時在毛細芯下部形成一個空腔，即儲液腔；補償腔儲存并靜置蠕動泵泵入的工質(zhì)，使工質(zhì)勻速進入儲液腔；儲液腔將工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)充分流動，使得液態(tài)工質(zhì)均勻浸潤毛細芯；集氣室匯總蒸汽集中輸出蒸發(fā)器.

圖 1 環(huán)路蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)原理圖Figure 1 Schematic of loop-cooling system

圖 2 毛細芯微槽蒸發(fā)器原理圖Figure 2 Schematic of PWMCE

圖 3 毛細芯微槽蒸發(fā)器正視剖面圖Figure 3 Section view of PWMCE

由于毛細芯微槽蒸發(fā)器各槽道沿工質(zhì)流動方向平行布置，因此槽道與翅片在結(jié)構(gòu)上具有重復(fù)性和對稱性.本文截取蒸發(fā)器相變區(qū)域的一部分作為研究對象如圖4，并從槽道中線切割取其一半作為數(shù)值計算單元，如圖5.

圖 4 毛細芯微槽蒸發(fā)器研究對象Figure 4 Numerical domain of PWMCE

圖 5 數(shù)值計算單元坐標圖Figure 5 Coordinate axis of numerical domain

1.1 模型假設(shè)

數(shù)值計算過程中基于以下假設(shè)：1) 流體工質(zhì)定常物性參數(shù)，且為層流流動，同時考慮重力影響；2) 流體呈對稱流動，故可以截取其中一部分做對稱數(shù)值模擬；3) 忽略熱輻射，不考慮粘性耗散作用；4) 多孔介質(zhì)均勻且各向同性，并始終為液飽和；5) 多孔介質(zhì)固體骨架與工質(zhì)之間局部熱力學(xué)平衡.

1.2 模型參數(shù)

毛細芯微槽蒸發(fā)器數(shù)值計算單元具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1.

表 1 計算單元參數(shù)

多孔介質(zhì)有效導(dǎo)熱系數(shù)keff為液體工質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)和固體骨架導(dǎo)熱系數(shù)的體積平均，即

keff=ε·kl+(1-ε)·kco.

(1)

式(1)中：keff為多孔介質(zhì)有效導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·K-1；kl為液體工質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·K-1；kco為銅導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·K-1；ε為孔隙率.

選用Mixture模型模擬毛細芯微槽蒸發(fā)器兩相穩(wěn)態(tài)過程，利用ANASYS Fluent提供的Evaporation-Condensation模型模擬蒸發(fā)沸騰時汽液交界面質(zhì)量交換過程.ANSYS Fluent通過在流動方程中添加動量源項表示多孔介質(zhì)模型.各向均勻同性多孔介質(zhì)的附加動量源項如公式(2)，其中包括兩部分：粘性損失項(右式第一項)和慣性阻力項(右式第二項).

(2)

式(2)中：μ為液體工質(zhì)動力粘度，Pa·s；α為多孔介質(zhì)滲透率，m2；C2為慣性阻力系數(shù)，由Ergun方程[11]計算得來，如式(3)和式(4)

(3)

(4)

式(3)～(4)中：DP為平均孔隙直徑，m.本文毛細芯由金屬銅粉燒結(jié)而成，參數(shù)如表2.

表 2 多孔燒結(jié)銅參數(shù)

1.3 邊界條件

蒸發(fā)器頂部受熱面熱流密度為q=39.8 W/cm2，上下壁面與槽道、毛細芯之間為傳熱耦合，蒸發(fā)器外壁面絕熱處理.因此計算單元邊界條件為：

1)y=Hc+Hw+Hv+2δ:kco·?T/?y=q;

2)x=0,δ

3)x=Lv,Hc+Hw+δ

?u/?x=0,v=w=0,?T/?x=0;

4) z=0, z=1/2Ww:

?P/?z=0,?T/?z=0,?V/?z=0.

本文模擬工作基于以上設(shè)置展開，數(shù)值計算采用水作工質(zhì)，入口水溫Tin=30 ℃，工作溫度Tw=60 ℃.壓力速度耦合采用SIMPLE算法.采用PRESTO格式對壓力方程進行離散，采用QUICK格式對其他基本方程進行離散.

2 模擬分析

儲液腔布置位置與蒸發(fā)器供液口位置對液態(tài)工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)部流動均勻性、換熱性能等存在重要影響.本文建立了三種不同供液結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器的數(shù)值計算單元，如圖6.蒸發(fā)器a和蒸發(fā)器b分別為儲液腔側(cè)邊布置與儲液腔底部布置，蒸發(fā)器b和蒸發(fā)器c分別為側(cè)邊供液入口蒸發(fā)器與底部供液入口蒸發(fā)器.其中AB表示蒸發(fā)器入口位置，CD表示槽道出口位置.

圖 6 不同結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器計算單元正視圖與右視圖Figure 6 Front and right view of numerical domain of different structure evaporators

2.1 儲液腔位置對流動傳熱影響

圖7顯示不同結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器受熱面溫度隨入口流量變化曲線，不同結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器受熱面最高溫度均隨著入口流量增加而下降.其中側(cè)邊布置儲液腔的蒸發(fā)器受熱面溫度高于底部布置儲液腔的蒸發(fā)器.為不影響設(shè)備工作性能，要求設(shè)備表面溫度不高于80 ℃[12]，蒸發(fā)器b在入口流量v=3.8 mL/min時受熱面溫度即可低于80 ℃.蒸發(fā)器a為滿足溫度要求需要更高的入口流量，在入口流量v=12 mL/min時受熱面溫度方可低于80 ℃.

圖 7 不同結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器最高溫度隨流量變化曲線Figure 7 Relationship between the maximum temperature of different structure evapora tors and the flow rate

圖8顯示在入口流量v=4.2 mL/min時不同供液結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器溫度場，圖9顯示各蒸發(fā)器受熱面中間軸每隔5 mm點的溫度分布，由圖8(a)、8(b)可知儲液腔側(cè)邊布置的蒸發(fā)器受熱面在流動方向上存在較大溫度梯度，均溫性較底部布置儲液腔的蒸發(fā)器差.這是由于本文蒸發(fā)器受熱面尺寸較大，蒸發(fā)器一旦側(cè)邊布置儲液腔，工質(zhì)在多孔介質(zhì)中極易流向流阻較小的槽道，而非先浸潤整個毛細芯區(qū)域，此時熱流密度直接加熱液態(tài)工質(zhì)，液態(tài)單相換熱作用增強，導(dǎo)致沸騰強度減弱，工質(zhì)在槽道中流動產(chǎn)生溫度梯度，因而蒸發(fā)器a在流動方向上溫度梯度較大.

圖 8 v=4.2 mL/min時不同結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器溫度場Figure 8 Temperature field of different structure evaporators when flow rate v=4.2 mL/min

圖 9 v=4.2 mL/min時蒸發(fā)器受熱面溫度分布曲線Figure 9 Profiles of temperature at various locations along the heated wall when flow rate 4.2mL/min

圖 10不同結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器進出口流阻隨流量變化曲線Figure 10 Relationship between the flow resistance of different structure evaporators and the flow rate

圖10顯示不同供液結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器進出口流阻隨供液流量變化情況，隨著流量增加各蒸發(fā)器進出口流阻均變大.由于蒸發(fā)器a內(nèi)液態(tài)工質(zhì)主動流向槽道，此時單相對流作用顯著，槽道內(nèi)液體工質(zhì)在層流狀態(tài)下流動邊界層不斷增加，加上水平流動方向多孔阻力較強，致使此蒸發(fā)器進出口流阻較大.

因此，針對本文蒸發(fā)器槽道較長情況綜合分析，認為儲液腔側(cè)邊布置方式不合適，而底部布置儲液腔更具優(yōu)勢.

2.2 供液口位置對流動傳熱影響

在儲液腔底部布置前提下，下面就蒸發(fā)器供液口位置對于流動傳熱影響作用進行探討.如圖6所示蒸發(fā)器b與c對比分析蒸發(fā)器側(cè)邊布置供液口與底部布置供液口影響作用.圖7可知供液口位置對于換熱影響差別不大，隨著入口流量增加蒸發(fā)器b和c受熱面最高溫度均下降.由圖8(b)、(c)與圖9可知，蒸發(fā)器底部布置供液口進液方式的蒸發(fā)器c受熱面均溫性良好.由圖10可知供液口位置對于蒸發(fā)器進出口流阻影響不大，流阻均隨著流量增加而增大.綜合對比分析發(fā)現(xiàn)，側(cè)邊供液口布置方式的蒸發(fā)器b和底部供液的蒸發(fā)器c在換熱性能、均溫性效果近似.于是，可結(jié)合實際工作環(huán)境，擇優(yōu)選擇供液口位置.

3 結(jié) 論

本文通過對毛細芯微槽蒸發(fā)器進行兩相穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，建立了蒸發(fā)器計算單元模型，利用Mixture模型分析了在定熱流密度工況下蒸發(fā)器儲液腔位置、供液口位置對蒸發(fā)器流動與換熱性能的影響，結(jié)果表明：

1) 底部布置儲液腔方式在換熱性能、均溫性以及進出口流阻方面均優(yōu)于儲液腔側(cè)邊布置方式.相同供液流量時底部布置儲液腔蒸發(fā)器受熱面溫度低于側(cè)邊布置儲液腔。由于側(cè)邊布置儲液腔蒸發(fā)器內(nèi)液態(tài)工質(zhì)會主動流入流阻較小的槽道區(qū)域，熱負荷直接加熱槽道內(nèi)液態(tài)工質(zhì)，致使此結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器在流動方向上溫度梯度較大，在降低蒸發(fā)強度的同時使蒸發(fā)器均溫性惡化.由于此時液態(tài)工質(zhì)主動流入槽道，單相對流作用顯著，槽道內(nèi)液體工質(zhì)在層流狀態(tài)下流動邊界層不斷增加，加上水平流動方向多孔阻力較強，致使蒸發(fā)器側(cè)邊布置儲液腔時進出口流阻又較大.

2) 在儲液腔底部布置前提下，研究發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)器側(cè)邊供液與底部供液對換熱效果、均溫性和進出口流阻影響近似，即可認為供液口位置對于流動傳熱影響不大.以上的結(jié)論對于優(yōu)化多孔微小槽道蒸發(fā)器傳熱性能具有指導(dǎo)作用.

[1] 王鵬偉, 王昊利, 翟美紅. 微柱群多孔介質(zhì)內(nèi)部流場的實驗研究[J]. 中國計量學(xué)院學(xué)報, 2013, 24(4):387-392. WANG P F, WANG H L, ZHAI M H. Experimental study on the flow fields in porous medium of micro-cylinder groups[J].JournalofChinaUniversityofMetrology, 2013, 24(4):387-392.

[2] 張維. 微小平板型環(huán)路熱管在電動汽車電池散熱中的應(yīng)用基礎(chǔ)研究[D]. 廣州: 華南理工大學(xué), 2013. ZHANG W.ResearchofMiniatureFlatLoopHeatpipeontheHeatDissipationOfElectricVehicleBattery[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2013.

[3] ZHANG X F, LI X Y, WANG S F. Three-dimensional simulation on heat transfer in the flat evaporator of miniature loop heat pipe[J].InternationalJournalofThermalSciences, 2012, 54(4):188-198.

[4] 范春利, 曲偉, 孫豐瑞,等. 三種微槽結(jié)構(gòu)的平板熱管的傳熱性能實驗研究[J]. 電子器件, 2003, 26(4):357-360. FANG C L, QU W, SUN F G. et al. The experimental study of the performance of flat miniature heat pipes with three kinds of micro grooves[J].ChineseJournalofElectronDevices, 2003, 26(4):357-360.

[5] 趙耀華, 鶴田隆治, 胡學(xué)功. 毛細微槽內(nèi)的相變傳熱的實驗研究[J]. 工程熱物理學(xué)報, 2004, 25(5):816-818. ZHAO Y H, TSURUTA T， HU X G. Experimental investigation on phase-change heat transfer in micro capillary grooves[J].JournalofEngineeringThermophysics, 2004, 25(5):816-818.

[6] 萬忠民, 劉偉, 蓋東興,等. 帶翅片的小型平板CPL蒸發(fā)器相變傳熱的數(shù)值模擬[J]. 化工學(xué)報, 2007, 58(12):2994-3000. WAN Z M, LIU W, GAI D X. et al. Numerical simulation of heat transfer with phase change in small-scale flat capillary pumped loop finned evaporator[J].JournalofChemicalIndustryandEngineering, 2007, 58(12):2994-3000.

[7] 劉志春, 劉偉, 宰軍,等. 平板式CPL蒸發(fā)器啟動特性研究[J]. 制冷學(xué)報, 2006, 27(3):14-17. LIU Z C, LIU W, ZAI J, et al. Study on startup performance of flat-type of CPL evaporator[J].JournalofRefrigeration, 2006, 27(3):14-17.

[8] 曲偉, 侯增祺. 毛細抽吸兩相流體回路(CPL)的啟動特性研究[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 1999, 31(4):74-76. QU W, HOU Z Q. Study on starting characteristics of capillary pumped loop[J].JournalofHarbinInstituteofTechnology, 1999, 31(4):74-76.

[9] CAO Y, FAGHRI A. Conjugate analysis of a flat-plate type evaporator for capillary pumped loops with three-dimensional vapor flow in the groove[J].InternationalJournalofHeat&MassTransfer, 1994, 37(3):401-409.

[10] LI J, PETERSON G P. 3D heat transfer analysis in a loop heat pipe evaporator with a fully saturated wick[J].InternationalJournalofHeat&MassTransfer, 2011, 54(1-3):564-574.

[11] ERGUN S. Fluid flow through packed columns[J].JournalofMaterialsScience&ChemicalEngineering, 1952, 48(2):89-94.

[12] 顏吉亮. 水冷散熱器性能測試系統(tǒng)的研制[D]. 杭州: 中國計量大學(xué), 2015. YAN J L.DevelopmentofPerformanceTestSystemforWater-CooledHeatSink[D]. Hangzhou: China Jiliang University, 2015.

Influenceofinletstructuresontheheattransfercharacteristicsofporouswickmicro-channelevaporators

DING Yining, GENG Liping, MAO Jiani, WANG Yugang, ZHOU Jingwei

(College of Metrology and Measurement Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

2096-2835(2017)03-0313-06

10.3969/j.issn.2096-2835.2017.03.008

2017-04-04 《中國計量大學(xué)學(xué)報》網(wǎng)址zgil.cbpt.cnki.net

國家自然科學(xué)基金資助項目(No.51206153)，浙江省自然科學(xué)基金資助項目(No.LY15E060005).

TK172

A