机械振动对矩形毛细微槽中液膜换热特性的影响 郭朝红.docVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：143244 机械振动对矩形毛细微槽中 液膜换热特性的影响 郭朝红1，曹薇2，胡学功1，唐大伟1 中国科学院工程热物理研究所, 北京 100190; ⒉北京佰能蓝天科技有限公司 矩形毛细微槽群热沉内，液体工质可以在固液汽三相接触线附近扩展弯月面的薄液膜区域产生高强度的蒸发，能够被用来实现极高传热系数和热通量的换热过程，在航天器、激光器和电子设备等方面具有很广泛的应用前景。目前，针对热负荷输入造成的液膜主动式振荡现象的研究资料很多[1~5]，但对外力扰动造成微结构液膜被动式振荡现象的研究内容相对较少。宏观尺度换热器件在振动条件下多有强化换热的效果，如，Dae Hun Kim和Yong Ho Lee 等[6]研究了机械振动对竖直放置环形管道的临界热流密度的影响，发现振动使环形管道的临界热流密度增加了16.4%。Gomaa等[7]对振动条件下竖直平板表面的传热现象进行了分析，研究发现振动有助于提高竖直平板的传热量。微细尺度热沉在振动条件下内部流场会受到明显扰动，如，Guo[8~10]和Cao[11]等对外力扰动对毛细微槽群热沉内三相接触线的变形情况的影响进行了实验研究，发现微槽内接触线会发生周期性的波动，相比于静止状态，振动后微槽内接触线轴向长度要大于静止条件下接触线长度。但目前尚无外力扰动对微结构热沉换热特性的影响的研究。 在实际情况中, 由于颠振等机械力的存在，微槽内液膜的换热特性会发生变化，进而影响到电子设备的工作精度。为了使毛细驱动力的微细结构能够安全可靠的应用于有振动的恶劣环境条件下，很有必要对外力扰动条件下微结构液膜的换热特性进行研究。 1 实验系统与实验方法 实验系统如图1所示，矩形毛细微槽平板热沉竖直放置在透明性良好的玻璃加工密闭实验容器内，并固定于振动台上。振动台用来模拟外力扰动产生的振动，高度为140mm，横截面为240×80mm，振动频率分别设定为6Hz、10 Hz、30 Hz，振幅范围为 基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目资助(No. 1.95~3.23mm。振动台与控制计算机相连接，通过计算机界面可以对振动频率，振幅、振动时间等参数进行控制，并能够实现振动特性的实时在线监测。振动波形为正弦波,振动方向为竖直方向。微槽平板高90mm，宽20mm，厚1mm，由硼硅玻璃制作，具有良好的透视性和较低的热膨胀变形率。实验用的微槽尺寸如表1所列。尺寸为10mm×20mm的电加热膜贴附在微槽板背面。微槽板与电加热膜之间贴附四个K型热电偶，用于测量微槽壁面的平均温度，其测温误差为±1℃。温度数据由安捷伦数据采集仪实现瞬时记录。在电加热膜与微槽背面涂导热硅脂以减小接触热阻。加热膜与直流稳压稳流电源连接，通过调整电压和电流示数计算加热膜的热负载。绝热良好的双面胶贴在微槽背面将微槽板竖直固定于密闭容器壁面上，微槽板底部浸在容器内贮存的具有一定深度的蒸馏水之中。蒸馏水在毛细力及脱离压力的作用下克服重力作用，沿着矩形微槽竖直向上攀爬，受力平衡时，液膜静止不动，在微槽侧壁面上形成沿着微槽轴向方向延展的三相接触线。每次实验之前，微槽平板都会经过超声波清洗、纯净水清洗、烘干等工序，保证微槽表面洁净无污染。 本文主要研究在外力扰动对矩形毛细微槽内液膜换热规律的影响。实验时，首先调整直流稳压稳流电源示数，对微槽群实验件施加热功率，待液膜状态稳定后，记录实验数据，然后调整振动参数，启动振动平台，使微槽群平板在振动台上做周期性的竖直振动，并实时记录实验影像和数据。实验中微槽内液膜的分布特性利用最大拍摄速率高达100000 fps的高速摄像仪实现可视化影像记录。 图2为实验中拍到的微槽侧壁面上三相接触线的处理过程。本文所研究的对象就是从接触线与槽顶的交点到干涸点这一段的渐缩三相接触线。拍摄的图片经过去噪等处理后，利用MATLAB软件的图形处理模块，获取接触线上各个像素点的坐标，从而得到三相接触线的量化曲线。 图1 实验系统示意图 表1 实验微槽尺寸 No. 槽宽 (mm) 槽深 (mm) 1 0.3 0.4 2 0.3 0.5 3 0.4 0.4 4 0.4 0.8 （a）微槽侧壁面上的三相接触线 (b) 处理后的三相接触线 图2 接触线图片的处理 2 实验结果 图3 加热前后三相接触线的变化 （振动频率10Hz，振幅3.138 mm） 图3为槽宽