电水动力学强化微细尺度槽群结构热沉内流动与复合相变传热的研究

本研究旨在揭示电水动力学和微尺度效应强化微细尺度槽群结构热沉内的液体润湿、干涸和三维流动特性以及微细尺度条件下电场、温度场和流场等多物理场耦合作用决定三相接触线附近薄液膜区域中的薄液膜蒸发和厚液膜区域里的液体核态沸腾的复合相变强化换热和发生临界热负荷的具体机理。在实验方面，利用Micro-PIV 粒子图像测速与测温技术进行微细尺度槽群结构热沉内三维流场和流体及汽液界面温度的测量；利用高精度红外热成像显微测温技术进行热沉壁面温度的测量；利用光纤维电场强度测量技术进行电场特性的测量；利用超高速显微摄影技术进行微气泡动力学行为、三相接触线特性、润湿与干涸特性的测量。在理论方面，建立电水动力学和微尺度效应共同作用下的微细尺度槽群结构热沉内的微汽泡生长的理论模型和液体流动以及复合相变强化换热模型，进行微细尺度槽群结构热沉内的微气泡动力学、流场以及温度场的数值模拟。

较高热负荷条件时，毛细微槽结构热沉内三相接触线区域的高强度蒸发和厚液膜区域的核态沸腾换热，使得换热热流密度甚至能接近109W/m2的数量级，能够被用来实现低热阻和小温差条件下的极高换热系数和热流密度的换热过程，可以用来满足工作于强电场环境下的大功率电力电子器件与系统的冷却要求。.本研究旨在揭示电水动力学和微尺度效应强化微细尺度槽群结构热沉内的液体润湿、干涸和三维流动特性以及微细尺度条件下电场、温度场和流场等多物理场耦合作用决定三相接触线附近薄液膜区域中的薄液膜蒸发和厚液膜区域里的液体核态沸腾的复合相变强化换热具体机理。在实验方面，利用Micro-PIV 粒子图像测速与测温技术进行微细尺度槽群结构热沉内三维流场和流体及汽液界面温度的测量；利用光纤维电场强度测量技术进行电场特性的测量；利用超高速显微摄影技术进行微气泡动力学行为、三相接触线特性、润湿与干涸特性的测量。在理论方面，建立电水动力学和微尺度效应共同作用下的微细尺度槽群结构热沉内的微汽泡生长的理论模型和液体流动以及复合相变强化换热模型，进行微细尺度槽群结构热沉内的微气泡动力学、流场以及温度场的数值模拟。.重要研究结果如下：在强电场作用下，汽泡的周期大大延长，汽泡长时间不破裂；由于EHD抽吸现象导致的液面不稳定性使得强电场作用下存在特有的液面与气泡长时间等幅振动现象。电场强度、电极间距、微槽尺寸、热流密度对沸腾过程中气泡动力学行为有重要影响。电场对微槽群热沉内换热特性的影响存在着一个开始出现强化效果的阈值电压值。热负荷、电极间距、外加电场电压值以及微槽尺寸对阈值电压值以及换热特性均有很大影响，电极间距的影响尤为显著。外加电场的电功耗不容忽视。EHD对微细尺度槽群结构热沉内液体润湿、干涸和流动有显著强化效应；微细尺度槽群结构热沉液体润湿长度与热流密度、微槽尺寸、电场强度有密切关系。.该项目的研究可以为电力等强电场领域的高强度散热问题提供高性能相变微冷与热控制元件结构设计原则与方法，具有重要的工程应用意义。