局部布置积液孔的冲击射流阵列换热系数的测量.docx

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局部布置积液孔的冲击射流阵列换热系数的测量

TerriB.Hoberg*,AndrewJ.Onstad,JohnK.EatonDepartmentofMechanicalEngineering,StanfordUniversity,Stanford,CA94305,USA摘要

如果射流相距甚近，并且在冲击不久后的乏流体直接通过孔渗出远离换热器，那么用大量的射流冲击换热器可以产生非常高的平均传热系数。

本研究测量了一个紧凑交错阵列的冲击射流对换热器的影响，射流喷嘴间的距离是喷嘴直径的2.34倍。

六个局部的渗出孔环绕着每个喷嘴，为的是分离与喷嘴相同冲击水平的空气。

用三种相似模型进行了测试，射流直径范围是d=0.94-8.46毫米，在总雷诺数范围是Red=500-10000。

在射流冲击目标的距离是喷嘴直径的基础上，发现了努塞尔数和雷诺数的关系是Nud=0.36Redd°'59o喷射到目标高度介于0.44-3.97倍的喷嘴直径，在所有情况下进行测试发现，增加喷射到目标间距可以减少平均传热系数。

较小规模的阵列有较高的传热系数，如在固定的喷射是速度和固定的射流冲击目标的距离时，高度h随直径变化0.41倍而变化。

通过8.5平方厘米的最小尺度阵列取得了近900W/m2K传热系数。

测定的整体压力系数下降约七各百分点。

关键词：

射流冲击冷却传热乏流体

1.简介

冲击换热应用广泛，如用于玻璃制造和电气设备的冷却，原因是高的局部传热系数。

单一冲击射流在特定领域可以产生高热量的转移，但是导致对冷却表面温度分布不均匀。

虽然冲击冷却已在较大的电子设备上使用，而现在的动机是看它是否可用于冷却此尺寸小，高功率电子芯片。

目前的冷却方案占用了大量空间,使冷却系统大小与芯片尺寸比例非常高。

冲击冷却，如果适应了电子冷却的情况,可以更直接实现占空间小和高效的转换。

目前已经在单一射流以及多种阵列射流冲击的传热上做了大量研究。

Martin（1977）,DownsandJames（1987）,Jambunathan等（1992）,和Viskanta（1993）报告了这项研究的许多结果。

从Jambunathan的研究中得知，局部传热系数很大程度上直接取决于喷嘴，如减小扩展出去的流体。

此提出的理由包括流体中边界层的成长和空气加热射出去流体的事实，减少表面与流体之间的温度差。

射流阵列是用来在一个更大的范围维持一个较高的传热系数。

许多因素影响射流阵列的性能，包括射流间距和横流的影响。

紧密隔开射流之间的干扰，可以减少射流速度，降低了传热。

在许多冲击阵列中，冲击后喷射流体在换热器表面流动，从阵列的两侧流出。

这种交叉流可以减少阵列外部的传热系数，因为横向被换热器表面你的流体加热了。

此外，交强流会干扰其他射流。

出孔允许废流体在冲击后流出，可降低横流与射流干扰的负面影响。

这些积液孔的两个布置位置在此前已研究：

洞布置在目标表面，洞与喷嘴在同一平面上。

2003年Rhee等研究在目标表面上积液孔的冲击射流阵列的传热。

他们测试了三种不同阵列模式的积液孔，并发现了在方陈列的冲击射流时，错列布置在目标表面的积液孔达到了最大的换热系数。

他们还发现了直径较小的孔的换热能力更高。

Hollworth和Dagan（1980）发现在同样的排列条件下，并且空气从旁边流走时目标表面的散热孔会使传热系数会提高35%。

他们的研究结果表明，交错模式运作比同轴布置的模式散热更好，特别是在喷射到目标距离较小时。

在目标表面上的积液孔有助于增加热量的传递，但这种方法不适用于电子设备的冷却。

对于这种应用，最好是将积液孔布置在与喷嘴水平的地方。

Huber和Viskanta（1994年）考虑热量转移到与喷嘴水平布置的阵列射流积液孔。

他们在不同高度间距的喷嘴和表面之间使用直角形状而不用积液孔。

他们的结论是在最小间距时积液孔可以增加热量传递，同样期盼在一个较大的间距，以及较大的阵列也可以达到此效果。

他们在局部冲击表面上测量传热系数，结果发现，由于积液孔的使用热传递变得更加均匀。

这一结果表明，积液孔可以是非常有用的，但是，这项研究的喷嘴中的间距是六倍的直径，由于喷嘴间的距离很大导致了传热量很低。

对于电子冷却系统，需要非常高且均匀的热量传递，密集阵列的积液孔是必要的。

Rhee等（2003年）测量阵列射流的局部换热量，此时积液孔与喷嘴在同一面上。

他们发现在射流和目标表面距离很小时，使横流的传热的分布更均匀，而且在某些地区比较低。

积液孔分布更均匀可以在距离是直径的1倍使传热系数增加约20%,距离是直径的0.5倍使传热系数增加约60%。

他们的局部传热系数表明，最高传热直接受射流的影响，在积液孔很少时最低。

一个排列非常紧凑射流组对大功率的电子设备是必要的，以最大限度地对目标表面进行射流冲击，并维持一个统一的高传热系数。

目前工作是Onstad等报告研究的扩展，测试了一种具有高密度阵列的射流组达到了很高的平均传热系数，避免大面积的低传热。

这一设计射流距离是喷嘴直径2.3倍的间隔交错排列的射流组。

为防止射流之间的干扰，射流阵列放在靠近目标表面，和几个积液孔环绕每个喷嘴。

在流体由积液孔中引出后，流体穿过由阵列喷嘴提供的管子，出口在阵列喷嘴的另一边。

本实验结果显示非常有前途的传热系数。

平均纽塞数达到了78o利用磁共振测速仪对全部阵列进行测量，得到了非常详细的三维速度数据。

这些数据表明，积液孔只影响孤立的个别的喷嘴，所以每次正常的对目标表面的撞击流体都会沿目标表面放射状对称的流出。

由于临近喷嘴积液孔造成的喷嘴沿半径方向的射流碰撞目标表面，使流体转向流动到积液孔中。

气体供应不足会产生了喷液流量的不均匀性，所以喷嘴离液体供给处最远的流速要比最近的流速高15%。

这导致冲击区产生轻微的横向流。

由于横向流导致在喷射区形成一个微弱的马蹄漩涡。

Onstad的冲击阵列用相对较大的射流供给管制造（djet=8.46毫米），为了良好的测量流速的空间分辨率。

典型的努塞尔数缩放比例表明，更高的传热系数可通过使喷嘴更小，减少喷嘴间的距离和成比例的分离喷嘴到目标的距离。

一定尺寸的一组喷嘴列阵可以产生高达2000W/m2K的换热量，这对于芯片的冷却时足够的了。

然而对于这种尺寸来说。

如果缩小喷嘴的大小，覆盖相同的表面面积就需要大量的喷嘴，而的高度必须维持不变，为了流体从积液孔中流出。

因此，排气箱的无量纲高度和喷嘴供给管的无量纲长度就会随着喷嘴直径的减小而增大。

不知道这种不完善的比例缩放如何影响努塞尔数。

本次研究的主要目标是确定是否由高传热系数受努赛尔数的影响，能否适用于实际的电子设备的冷却。

对Onstad等人用过的相同的经典列阵的两种尺度的几何模型进行了测试。

最小的线性尺寸比原来的模型小九倍，并需要用混合制造技术准确的复制大比例尺的原型。

分别为每个阵列测量平均空间的努塞尔数。

缩放尺寸存在的一个附加问题是，喷嘴的尺寸减少的同时射流速度必须增加以维持恒定雷诺数。

努赛尔数随雷诺数的变化在每个列阵测量出来。

最后，由测量值得出两个不同用途的喷嘴到目标距离的无量纲数，并且扩展了以前的研究值的范围。

2.实验装置

对三规模的冲击射流阵列设计模型进行了测试。

该阵列结构包括一个紧凑的，交错排列的射流喷嘴间的距离是喷嘴直径的2.34倍。

六个积液孔均匀的分布在每个喷嘴周围尽可能的减小交叉流动和喷嘴间的相互干扰（见图1。

）。

积液孔的直径与喷嘴的直径比率是0.6,积液孔与喷管的所占的总区域比率是1.08。

这些阵列每个方向上射流的扩展面超过了目标的表面积，代表一个无限大的阵列。

当在冲击目标表面前空气由管子到达喷口处时，通过积液孔排出，出口就在阵列的边缘处如图2和图3所示。

该孔的直径和间距由三个连续的阵列的因素所决定。

阵列1和2具有相同的射流喷嘴和积液孔，但是积液孔在不同的区域数量是不同的。

而阵列3有两个大规模较大的阵列，但是冲击范围比目标表面小14%两个较大的阵列的高度（L）分别保持不变应与试验台的放置高度一致，而规模最小的阵列减少到一个较小的高度，并用垫片来保持与试验台的放置高度一致。

这导致了不同的无量纲的喷嘴管道长度如表1所示。

阵列1和2用立体光刻制作而成（SLA）o最小的数组3比原型的线性尺寸小九倍，并需要用立体光刻与计算机数控（CNC）钻控技术想结合的制造技术。

该阵列模式由Onstad等人所用的原型修改而来。

积液孔直径减小以增大喷管壁厚，这样才可允许制造缩小比例的阵列。

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图1.冲击阵列结构。

每个冲击射流周围均匀分布六个积液孔，让空气流出并减少射流之间的干扰和横流的影响。

该孔直径比为deff/如=0.60o

图3.射流冲击和积液孔示意图。

喷嘴流出的空气冲击到目标表面上，与其他喷嘴的空气通过积液孔向上流出。

实验用立体光刻制作而成，包括倾斜的进气总管，撞击阵列，和积液孔。

完整的安装程序如图4所示。

空气从长0.5米直径是50.8毫米的发展段管进入进气总管。

进入进气总管把圆形横截面为正方形截面（152x152平方毫米），并使流动转过90°,使流体留到冲击阵列处。

为了实现在喷嘴入口处压力统一的目标给出了多种逐渐变小的模型o流体经过喷嘴冲击目标表面后，被布置在列阵上的积液孔吸走，流体沿圆柱管子流动中包含了冲击射流，

并通过一个位于角落的四个出口25.4毫米口径管道排出。

以上这些积液管在阵列的位置之上和空气通过31.8毫米的管道排出。

射流之间的阵列和目标表面之间的间距是三个不同的变化间隔板，这里给了喷射到目标表面高度10.0毫米，3.73毫米，0.91毫米，或不同的阵列对应不同的无量纲高度Z/djet=0.44,1,4o这些间隔板也使用立体光刻制作而成。

阵列，垫板和目标表面层被密封起来，并提出用密封O形环或垫圈来密封。

射流阵列的平均热量通过两个目标表面的一个来测量。

每个目标的表面由一个铜板组成，铜板周围是与之齐平的树脂玻璃，大小是183毫米*183毫米。

铜板提供了一个几乎恒定的温度边界条件，它是在冲击射流阵列中心。

目标表面使用了两组较大的列阵，铜板边长76.2毫米厚度4.4毫米，而第二个目标表面使用最小的列阵，铜板边长29.2毫米厚度4.4毫米每一个铜板的底部连接个一热电阻器，由自耦合变压器供电，保持板的温度恒定在超过进气温度30°C或是可能达到的最大30°C的温度差。

加热器两端的电压使用数字万用表测量和电流使用瓦特计测量。

板温度的测定是使用K型热电偶，使用数字万用表测量电压并由通用接口总线接口控制。

板热电偶装在目标表面深度1.2毫米钻的孔中，并附上导热性能良好的环氧树脂。

热电偶装置和第一面位置的详细情况Onstad等在2009年已给出，和第二表面采用相同的办法，为按比例缩小热电偶的位置的尺寸。

表1射流列阵的参数

图4.试验装置。

注意倾斜的进气总管，从而在射流阵列中产生均匀的压力分布。

空气通过进气总管，通过一个射流列阵冲击目标表面，通过对目标表面的积液孔流出，它在耗尽前通过四个管中的一个。

空气是由一个旋转式螺杆压缩机提供给，并通过一个过滤器和压力调节器。

用一个冷水的管壳式换热器冷却空气，抑制温度波动，使用一个由自耦合变压器供电的管加热器使空气温度达到23。

（2。

该温度控制系统是用来维持一个稳定的入口温度，温度波动范围是±0.1。

（2。

如上所述，图4所示的倾斜的入口气室的横截面由圆形改成了正方形，从而使喷嘴入口处的压力分布的均匀。

2009年Onstad等给出了精细的速度测量值。

结果显示模型喷