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槽道热管理论研究

2022/07/1693 作者:佚名
导读:对于槽道热管的理论分析,既有与其它吸液芯形式相同的分析方法,也有针对槽道开展的理论研究。其研究方法主要有三个方面:经验公式法、数值分析法及两种方法的结合 。 槽道热管经验公式法 经验公式法一般是将热管的各个传热过程统一考虑,得到适合于某一特定工程应用的理论模型。这种方法得到的模型便于使用,计算量小,结果相对可靠,适合于工程应用,但需要大量数据支持,适用范围小,热管内部各参数对其传热性能的影响无法获

对于槽道热管的理论分析,既有与其它吸液芯形式相同的分析方法,也有针对槽道开展的理论研究。其研究方法主要有三个方面:经验公式法、数值分析法及两种方法的结合 。

槽道热管经验公式法

经验公式法一般是将热管的各个传热过程统一考虑,得到适合于某一特定工程应用的理论模型。这种方法得到的模型便于使用,计算量小,结果相对可靠,适合于工程应用,但需要大量数据支持,适用范围小,热管内部各参数对其传热性能的影响无法获得。随着计算技术的发展,单纯依靠大量数据作为研究基础的经验公式法很难适应电子散热领域千变万化的要求。该方法在 20 世纪 90 年代后,很少单独使用,往往作为其它分析方法的验证、初步设计或概念设计阶段的基础而开展。这里不再赘述。

槽道热管数值分析方法

数值分析方法是指采用有限单元法、有限差分的方法数值求解动量、质量和能量守恒方程,得到热管内部的流动传热传质特性。而计算过程中的各种影响流动、传热和传质的因素均可能得到考虑,分别有:充液量、槽道尺寸和形式、工作温度、工作角度、工作介质种类和热物性等,另外其它一些影响因素也得到了重视,如表面粗糙度、周向表面张力的排液作用、蒸发/冷凝系数、剥离压力(disjoining pressure)和薄液膜区的相变过程等,且发现这些因素在某些情况下可能成为热管传热性能主要的影响因素。数值方法得到的槽道结构吸液芯热管的模型具有信息量大、可涉及内部流动传热传质过程细节的特点,对理解热管运行过程有较大帮助。 对于热管流动和传热过程的数值模拟,目前仍处于发展阶段。由于热管内部过程牵涉多相流、相变传热、毛细驱动力和多孔介质等多个复杂领域,因此目前针对热管开展的数值计算研究并不多,而有赖于相关领域计算技术的进一步发展。一些商业计算软件中对热管的处理方式往往采用简化模型,用一种非线性导热体代替,而未深入其内部研究其工作状况。对于槽道热管的数值模拟,运动界面追踪技术可能成为今后的一个重要的发展方向。

但由于其涉及内部流动传热传质等基本过程,热管本身的传热又涉及三相过程(固相的管壁和吸液芯结构、液相流动和蒸汽流动),同时各研究者所考虑的影响因素,采用的数值方法、研究的对象各不相同,所以难以形成统一的计算程序,使槽道热管的数值分析相对比较困难,周期较长,在实际工程实践中难以得到广泛的应用。另外,由于影响热管流动传热传质的很多因素涉及微尺度传热理论,还有很多不成熟的,甚至未知的因素,因此对槽道热管数值研究的可靠性产生了影响。如三相接触角的大小确定对液相回流的影响很大,但各个研究者在相同情况下所采用的数值也不尽相同,而目前对接触角的研究,特别是精确可靠的试验研究或可视化研究仍存在一定困难。

另外对流动传热传质过程的影响比较大的一些参数,如极性工作介质的蒸发冷凝系数,尽管有近八十年的研究历史,但不同研究者得到的数值可能相差数百倍,而蒸发冷凝系数在小型热管,特别是电子散热用的热管中可能起到比较大的影响。还有一些在宏观领域比较成熟的结论,如关于液相工作介质黏性的理论,但当液相工作介质在轴向微米(µm)级槽道内流动,轴向纳米级薄液膜区域或冷凝段齿顶排液时的流动可能出现明显应力应变非线性关系,这种非线性关系可能受到结构尺寸、温度、壁面材料甚至槽道加工方式的影响,目前微观领域对于这一部分的了解甚少。因此,针对槽道热管建立普遍适用的、准确可靠的模型还有很多工作要做。

槽道热管结合方法

针对上述研究方法存在的一系列问题,目前有一种将数值方法与经验公式相结合的方法,这种方法首先对热管传热过程进行分析,再通过一定的关系与各种传热过程相结合,通过试验得到所需要的经验或半经验公式。这种方法既回避了数值模型大量的计算,又回避了不确定因素的影响,同时弥补了经验公式法过于简单的形式和普适性较差的弊端,但目前该形式的理论模型报道不多,且现有报道均针对传统圆柱状形式的热管,对于目前电子工业散热器所使用的异形热管(弯曲或压扁形式)的模型报道不多 。

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