相变力驱动的回路流体传热机制研究

Based on the heat transfer mechanism of capillary phase-change loop, CWHP, LHP, CPL, and MGHP heat pipe were developed. Because of its highly efficient heat transfer capacity, it is considered to be one of the effective ways to solve the heat dissipation problem of high heat flux component. The heat transfer mechanism of capillary phase change loop was reviewed. The mechanism that vapor-liquid phase interface is located in porous wick restricts the phase change driving force. Besides, the backflow of the mainstream phase change medium increase the flow resistance, which cannot be removed. This paper presents a new heat transfer mechanism in a low resistance cycle driven by phase change force, which is focus on vapor-liquid separation in porous wick of evaporator and condenser tube of condenser. The main research of the subject includes the establishment of the new mechanism model, vapor-liquid separation theory in porous wick and the study and design of its structure. The basic theoretical researches mainly focus on the phase change and interface transfer theory and condensation modes of condensing wall. It will help us to understand the basic phenomenon and process rules of heat transfer of the phase change loop. A new problem was proposed from traditional phase change mechanism of capillary loop, showing the innovation and exploration charm of applied basic research. And its basic science property can enrich thermal physical theory and research content.

基于毛细相变回路传热机理而推出的CWHP、LHP、CPL以及MGHP等热管，因其具有高效的传热能力被认为是解决高热流密度器件散热问题的有效途径之一。本课题对毛细回路的传热机理进行了重新审视，并认为，"液汽相变界面位于吸液芯内"的传热机制制约了相变驱动力，且主流相变工质倒流引起流阻增加的弊端无法消除。据此，提出了主要以相变力驱动的回路流体低阻循环的传热机制，以"蒸发器吸液芯液汽分离、冷凝器凝结管汽液分离"为技术核心，研究内容主要放在新机制模型建立、吸液芯液汽分离理论、以及结构研究设计这三个方面。重点围绕相变与界面传递理论、冷凝壁面凝结形态等问题展开基础性的探索研究，从新的角度认识相变驱动回路传热的基本现象与过程规律。本项目从传统毛细回路相变机制中提出了新的问题，并进行了科学凝练，展现出应用基础研究所具有的创新探索魅力，其基础科学性可对热物理理论和研究内涵有着创新性的拓展深化。

基于毛细相变回路而提出的多种环路热管，被认为是解决高热流密度器件散热的有效途径。本项目对该传热机理进行了重新审视，并认为“毛细压头是工质循环唯一的推动力”， 这种经典理论的表征并不完备。据此，提出了以突出汽相压头驱动流体低阻循环的传热机制，以"蒸发器吸液芯液汽分离"为技术核心，研究内容主要放在新机制模型建立、吸液芯液汽分离理论基础、以及结构研究设计这三个方面。重点围绕蒸发腔相变、如何增强汽相压头等问题展开探索研究，从新的角度认识相变驱动回路传热的基本现象与过程规律。. 对于非毛细相变回路的热管系统，蒸发器是LHP系统中的核心部分，项目提出的研究内容均围绕蒸发器内传热传质的特征而展开。为突出汽相压头，将蒸发器的底面与吸液芯相对分离，为此搭建了蒸发器可视化实验装置。蒸发器的底面（受热面）与吸液芯之间留有间隙构成了相变空间--蒸汽腔。在结构设置上造成传热与传质的相对分离，并且工质只能进行单一方向的循环流动。液体工质在蒸汽腔内相变蒸发，相界面基本不与吸液芯接触。因为吸液芯内无相变，其剪切流阻近似为零，吸液芯孔隙的蒸汽分压力基本为零，但吸液芯的渗透力不变，由此使得吸液芯传质能力相对增大。吸液芯的物性参数与“毛细芯”也具有本质性的区别，主要体现在导热系数方面。. 为了剖析“相变力”与“毛细抽力”两种传热机制的差异，设计了不同结构形式的蒸发器，主要对其启动特性进行了实验研究；理论分析了蒸发腔内热质传递过程中相变产生的特征；建立了描述LHP系统热力循环的仿真数学模型等。. 所提出的完整LHP结构设计通过理论与实验证实，这种传热机制可以使工质循环的汽相压头增大，由于相变蒸汽向吸液芯内的传输阻力远大于向蒸发器出口方向的阻力，所以能够保证主流相变工质不会产生反向流动（漏热）。工质循环动力的增强，有可能使得LHP蒸发器与冷凝器之间的距离加长，非常利于高热流密度器件热控方案的实施，这在航空航天领域及芯片冷却方面具有重要的应用价值。