一种微重力流动沸腾临界热流密度的地面模拟实验装置及方法与流程

本发明属于微电子器件散热及微重力条件下热管理技术领域，具体涉及一种微重力流动沸腾临界热流密度的地面模拟实验装置及方法。

背景技术：

临界热流密度是流动沸腾换热性能的关键参数。微重力条件下由于浮力的缺失，流动沸腾高热流密度区会出现一定程度的恶化，临界热流密度也随之降低。因此获取微重力条件下的流动沸腾临界热流密度的变化规律，对于指导微重力条件下电子器件散热和热管理系统的设计和运行具有十分重大的意义。然而，由于微重力流动沸腾临界热流密度实验设备和条件的复杂性和以及获得微重力条件的困难性，决定了微重力流动沸腾实验难以实施并且十分昂贵的。因此，通过在地面上进行的模拟实验测试，获得微重力流动沸腾的临界热流密度的近似值是非常方便和经济的方法。

目前精确、简单且可行的地面模拟实验方法尚未有报导。传统的地面模拟实验方法中，吕成道等人提出过一种微重力流动沸腾地面模拟实验的等价准则：地面实验时当加热面竖直向下布置所获得的流动沸腾换热性能与对应条件下竖直向上布置时所获流动沸腾换热性能一致时，此时的流动沸腾换热性能等价于对应微重力条件下换热性能。但是这种等价准则所需要达到的临界实验条件过于苛刻，特别是临界流速很高，导致了所获得的流动沸腾模拟实验数据偏离了应用范围(通常流速不能高于2m/s)，导致其模拟实验方法不具备实用性。此外虽然有学者提出了不同流动沸腾中惯性力占主导，即常、微重力条件下临界热流密度近似相等的临界流速判据，但是这种方法只能用于在地面模拟高于临界流速条件下的微重力流动沸腾(如普渡大学zhang等热提出的临界流速大于1.5m/s)，而低于临界流速的流动沸腾无法模拟，因此适用范围也十分有限。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种微重力流动沸腾临界热流密度的地面模拟实验装置及方法，以克服现有技术存在的问题。本发明可以很方便地在地面上模拟微重力条件下的临界热流密度，找出微重力条件下的流动沸腾临界热流密度的精确区间，且应用范围相比于传统的模拟方法广泛的多。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种微重力流动沸腾临界热流密度的地面模拟实验装置，包括测试管，测试管与水平面之间的夹角为0-360°可调，测试管的入口端通过流量调节阀连接至流量计，流量计的入口端连接至泵，泵的入口端连接至冷凝器，冷凝器的入口端连接至预热器，预热器的入口端连接至用于存储流体介质的缓冲罐，缓冲罐的入口端连接至测试管的出口端，泵上连接有转速调节器，缓冲罐上连接有稳压装置；测试管的内壁设置有用于测量流体介质温度的第一温度传感器，第一温度传感器连接至温度控制器，温度控制器的输出端连接至冷凝器，测试管的内壁还设置有与测试管内壁贴合的加热面，加热面通过能够连续调节输出功率的电源供电，第一温度传感器的测点位于加热面的上游，加热面上设置有用于测量加热面温度的第二温度传感器，第二温度传感器连接至温度采集器。

进一步地，测试管的横截面为矩形或圆形。

进一步地，电源为直流电源或交流电源。

进一步地，测试管与水平面之间的夹角为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°或360°。

一种微重力流动沸腾临界热流密度的地面模拟实验方法，采用如上所述的一种微重力流动沸腾临界热流密度的地面模拟实验装置，包括以下步骤：

步骤一：设置微重力条件下需要预测的流动沸腾临界热流密度的实验工况；

步骤二：将加热面按照与水平面之间夹角为135°布置，测量在地面上的临界热流密度值a；

步骤三：将加热面按照与水平面之间夹角为315°布置，测量在地面上的临界热流密度值b；

步骤四：将步骤二得到的临界热流密度值a和步骤三得到的临界热流密度值b组成一个闭区间，微重力条件下需要预测的流动沸腾临界热流密度即位于此闭区间内。

进一步地，步骤一中实验工况包括：测试管中流体介质的温度、测试管中流体介质的流速、测试管横截面形状及尺寸、测试管内压力以及加热面尺寸。

进一步地，测试管中流体介质的温度低于流体介质的饱和温度，测试管中流体介质的流速为0.5m/s-2m/s，测试管横截面形状为矩形，测试管横截面尺寸为12mm×(3-5)mm，测试管内压力为一个大气压，加热面长度为1-4cm。

进一步地，步骤二和步骤三中测量临界热流密度值的方法具体为：逐步增大电源电压来增大电源功率，在每一个功率下判断临界热流密度是否发生，若临界热流密度发生，则根据该功率点的上一功率点计算临界热流密度值；若临界热流密度未发生，则继续增大电源功率，直至临界热流密度发生并计算临界热流密度值。

进一步地，判断临界热流密度是否发生的条件为：温度采集器采集的温度在2s内升高30℃时，则确定为临界热流密度发生，否则确定为临界热流密度未发生。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明的微重力流动沸腾临界热流密度的地面模拟实验装置，相比于直接用于微重力实验的装置而言，省略了为了获得微重力环境而必须的微重力设备，如落塔、落井、探空火箭以及空间站等花费十分昂贵的设备和微重力实验过程中所必须的远程控制系统，因此本发明的微重力流动沸腾临界热流密度的地面模拟实验装置简单且经济性好。此外，本发明的微重力流动沸腾临界热流密度的地面模拟实验装置的测试管可以根据不同的实验工况方便地更换，不仅可以满足不同流速、流体介质温度、测试横截面形状和加热面尺寸条件下的实验测试，而且实验装置设计、布置、设备选择可因地制宜，突破了微重力实验装置对重量、体积和能耗的严格的约束，实验可操作范围广且操作便捷。

本发明的微重力流动沸腾临界热流密度的地面模拟实验方法基于不同重力水平和加热管布置方向下流动沸腾中气泡运动对沸腾传热的影响规律而提出：即微重力下浮力对气泡滑移影响，进而对流动沸腾临界热流密度的影响程度介于常重力水平下加热管与水平面夹角θ＝315°与θ＝135°时浮力对其气泡滑移即流动沸腾临界热流密度的影响程度之间，也即微重力条件下流动沸腾传热临界热流密度处于常重力对应实验条件下θ＝315°与θ＝135°时测得临界热流密度区间内。

相比于直接进行微重力实验方法，利用本发明的微重力流动沸腾临界热流密度的地面模拟实验方法，只需要根据用户所需要的实验工况，通过测量其在地面常重力环境中135°和315°布置时的临界热流密度即可获得微重力条件下的临界热流密度值，测量操作步骤简单，操作难度低；此外，相比于直接进行微重力实验和传统的地面模拟方法，本发明的微重力流动沸腾临界热流密度的地面模拟实验方法的流速相比于传统的模拟方法，要求从不低于1.5m/s降低拓展至不低于0.5m/s，实用性明显增强。

附图说明

图1为微重力流动沸腾临界热流密度的地面模拟实验装置示意图；

图中：1、泵；2、转速调节器；3、流量计；4、流量调节阀；5、测试管；6、缓冲罐；7、稳压装置；8、预热器；9、冷凝器；10、电源；11、加热面；12、温度控制器；13、温度采集器。

图2为流动沸腾测试段及加热面布置方向示意图；

图3为流动沸腾气泡受力分析图；

图4为本发明提出的方法的实验验证对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

参见图1和图2，一种微重力流动沸腾临界热流密度的地面模拟实验装置，包括测试管5，测试管5的横截面为矩形或圆形，测试管5与水平面之间的夹角为0-360°可调，使用过程中，测试管5与水平面之间的夹角设置为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°或360°，测试管5的入口端通过流量调节阀4连接至流量计3，流量计3的入口端连接至泵1，泵1的入口端连接至冷凝器9，冷凝器9的入口端连接至预热器8，预热器8的入口端连接至用于存储流体介质的缓冲罐6，缓冲罐6的入口端连接至测试管5的出口端，泵1上连接有转速调节器2，缓冲罐6上连接有稳压装置7；测试管5的内壁设置有用于测量流体介质温度的第一温度传感器14，第一温度传感器14连接至温度控制器12，温度控制器12的输出端连接至冷凝器9，测试管5的内壁还设置有与测试管内壁贴合的加热面11，加热面11通过能够连续调节输出功率的电源10供电，电源10为直流电源或交流电源，第一温度传感器14的测点位于加热面11的上游，加热面11上设置有用于测量加热面温度的第二温度传感器15，第二温度传感器15连接至温度采集器13。

下面结合附图对本发明实施例做详细描述：

本发明提供的方法为微重力的临界热流密度可以根据常重力条件下加热面方向为135°布置和315°布置时对应的临界热流密度区间来近似。具体的操作方法为：

第一步，确定微重力条件下需要预测的流动沸腾临界热流密度的实验工况，实验工况需要确定的参数为：流体介质过冷度、流速、加热面尺寸、测试管横截面尺寸。其中实验工况需要具备的条件为流体介质温度低于其饱和温度，压力为一个大气压，加热方式为单侧加热，加热面长度为1-4cm，且流速大于或等于0.5m/s。

第二步，根据实验工况要求，设计流动沸腾测试管的尺寸，再根据图2所示的加热面布置示意图，将加热面按照135°布置。组装好实验系统后，并通过控制泵的转速和流量调节阀的开度将流速调至规定流速，通过温度控制器、预热器和冷凝器将流体介质的温度控制在设定值，

第三步，逐步增大电源的功率，进行实验；计算每个功率所对应的热流密度，并在每个热流密度工况点保持两分钟，等待流动沸腾达到稳定状态并观察临界热流密度是否发生。在开始实验时热流密度的间隔为3w，随着功率的增大，热流密度间隔逐步缩小，当接近临界热流密度时，相邻热流密度点的热流度间隔控制在0.3-0.5w/cm²。当发现温度采集器采集的温度在2s内升高30℃时，则确定为临界热流密度发生，否则确定为临界热流密度未发生。确定为临界热流密度的发生，并将临界热流密度发生之前一个工况点的热流密度确定为135°布置时的临界热流密度。当加热面材料为掺磷硅，加热方式为焦耳加热时，判断临界热流密度是否发生的条件可以采用如下方式：当发现电源电流和电源功率在2秒内降低了5w以上，则确定为临界热流密度发生，否则确定为临界热流密度未发生。当测试管设置为透明管时，判断临界热流密度是否发生的条件可以采用如下方式：观察流动沸腾状态，当流动沸腾由核态沸腾迅速转换为膜态沸腾时，则确定为临界热流密度发生，否则确定为临界热流密度未发生。

第四步，根据图1所示的加热面布置示意图，将加热面按照315°布置，其余操作铜第二步和第三步，进行与微重力需要预测的工况相同的常重力实验，测试得到315°布置时的临界热流密度。

第五步，将第三步和第四步测得两个的临界热流密度值组成一个闭区间，微重力下的临界热流密度即处于这个闭区间内。

本发明的微重力流动沸腾临界热流密度的地面模拟实验方法基于不同重力水平和加热面布置方向下流动沸腾中气泡运动对沸腾传热的影响规律而提出。通过流动沸腾气泡动力学力平衡分析可以得到不同加热面布置方向(θ)下浮力对气泡滑移和气泡脱离的影响，具体受力分析如图3所示。分析发现，当90°<θ<180°时，浮力有利于气泡滑移，但不利于气泡脱离，此时气泡滑移效应的增强对沸腾传热的强化作用与气泡脱离效应的削弱对沸腾传热的恶化作用可部分抵消，从而接近于微重力条件下的流动沸腾行为；同理，当270°<θ<360°时，浮力有利于气泡脱离，但是不利于气泡滑移，此时也可获得接近微重力条件下的流动沸腾行为。为了方便地面模拟实验的进行，取90°-180°和270°-360°的区间中点，即θ＝315°与θ＝135°进行进一步的分析发现，微重力下浮力对气泡滑移影响，进而气泡滑移对流动沸腾临界热流密度的影响程度介于其对θ＝315°与θ＝135°时的影响程度，也就是说，微重力条件下流动沸腾传热临界热流密度处于常重力对应实验条件下θ＝315°与θ＝135°时测得临界热流密度区间内，因此本发明的提出的地面模拟方法在理论上是可行的。

利用本发明提供的方法，第一可以很方便地在地面上模拟微重力条件下的临界热流密度，找出微重力条件下的流动沸腾临界热流密度的精确区间；第二其范围相比于传统的模拟方法广泛的多，如模拟的流速要求从不低于1.5m/s降低至不低于0.5m/s，因此实用性明显增强；第三，本发明实验系统简单，操作难度低，相比于直接进行微重力实验和传统的地面模拟方法，经济性大幅提高。

根据本发明提出的模拟方法进行了一系列的验证对比实验，其结果如图4所示，根据图4对比实验发现，微重力条件下的chf区间均处于常重力θ＝315°与θ＝135°时测得临界热流密度区间内，说明该方法是有效的。