● 摘要
电子电路的微型化、芯片功率的提高和封装密度的增加，使得电子芯片单位面积上产生的热流密度急剧增加，给有效冷却电子元器件、保证其可靠工作带来了严峻挑战。尤其是各种飞行器上的电子设备及元器件，由于其工作环境恶劣，并要求体积小、重量轻、工作可靠，因此对电路集成度和热控制的要求较一般民用产品更严格。传统的空气吹拂冷却和气冷冷板技术已不能满足当前电子设备高热流密度的散热要求，必须发展高效液冷和相变冷却技术。飞行器上的电子设备往往要承受来自各个方向、不同大小的加速度。在这种过载加速度环境下，液体的力学特征变化将会影响飞行器上电子设备的散热性能。为评估和解决飞行器上电子元器件在过载加速度环境下的散热问题，本文对过载加速度环境下平直微槽以及为对抗和克服过载加速度产生的力学效应而提出的一种新型散热器—涡旋微槽散热器的流动与传热特性进行了实验和数值模拟研究。在课题组前期对平直微槽流动与传热特性实验研究的基础上，首先对重力场和过载加速度环境下平直微槽中的流动与传热特性进行了数值计算。数值计算结果表明，对微槽施加不同方向和大小的加速度，微槽中的流动与传热特性不同；对不同深宽比试件在相同体积流量或相同试件在不同体积流量下施加加速度时，微槽中的流动与传热特性有较大差别。由于加速度的影响在微槽截面产生压力梯度，从而改变了微槽截面的速度分布，在截面出现涡旋结构。涡旋结构的出现使加速度环境下微槽流动与传热特性复杂化，使得加速度对微槽流动与传热特性的影响呈现出非线性的变化规律。以FC-72为工质，对平直微槽在过载加速度环境下的流动与传热特性进行了实验研究。在加速度逐渐增加以及达到设定加速度的情况下，微槽的摩擦阻力系数受工质流动状态、受力状态、相变与否等因素的影响，表现出复杂的特性；而Nu数有所降低。其次，以乙二醇水溶液为工质对涡旋微槽在重力场环境下的流动与传热特性进行了实验研究，并与平直微槽的相应特性进行了对比。研究表明，工质流速、微槽结构对涡旋微槽流动与传热特性具有重要影响，对所研究的矩形涡旋微槽，拟合得出了单相强迫对流流动阻力及传热关联式。与平直微槽在重力场环境下的传热特性进行对比，表明涡旋微槽传热特性优于平直微槽，Re数越大，这种优越性越明显。再次，以乙二醇水溶液和FC-72为工质对加速度环境下涡旋微槽的流动与传热特性进行了实验研究，并与过载加速度条件下平直微槽的实验研究结果进行了对比。研究表明，涡旋微槽传热性能优于平直微槽，具有一定抗过载能力。涡旋微槽抗过载能力与工质特性、工质流量、微槽结构等因素有关。拟合得出了过载加速度环境下涡旋微槽流动与传热特性实验关联式。最后，以乙二醇水溶液为工质对涡旋微槽在重力场和过载加速度环境下的流动与传热特性进行了数值模拟研究。涡旋微槽的曲率效应使工质在涡旋微槽截面上产生压力梯度，并诱发截面二次流是涡旋微槽与平直微槽流动与传热特性不同的根本原因。通过对不同体积流量、不同槽道结构微槽截面速度分布的数值模拟，对涡旋微槽流动稳定性进行了分析。采用场协同原理对涡旋微槽强化传热机理进行了探讨。涡旋微槽在加速度环境下的流动与传热特性的数值研究表明，De数减小是造成涡旋微槽流动与传热特性改变的主要原因，但由于加速度的力学效应还使微槽流通截面的速度分布和温度分布发生了变化，使得加速度环境下涡旋微槽的流动与传热特性表现出复杂的变化规律。