局部布置积液孔的冲击射流阵列换热系数的测量.docx

1、局部布置积液孔的冲击射流阵列换热系数的测量Terri B.Hoberg *, Andrew J.Onstad, John K.Eaton Department of Mechanical Engineering, Stanford University, Stanford, CA 94305, 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

2、。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= 0.36 Redd59o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

3、.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), Downs and James (1987), Jambunathan等(1992),和Viskanta (

4、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，

5、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

6、，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

7、， 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

8、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

9、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2000 W/m2 K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

10、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

11、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

12、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。OoQoQOO O O O OImpincement Jete I。0。0。o o

13、o o o e* EttU5Hols0。0。0西o o o o o ooOoQoQo|2.34xDjet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。

14、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

15、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30C或是可能达到的最大 30C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

16、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