基于沸腾曲线的液冷流道沸腾散热系统均匀性能评估方法

本发明涉及沸腾传热领域，具体涉及一种基于沸腾曲线的液冷流道沸腾散热系统均匀性能评估方法。

背景技术：

1、近年来，核研究反应堆、超级计算机系统、高功率激光、热交换器、聚变能源、微电子机械系统等领域对换热要求越来越高，伴随微型仪器的迅速发展，高效、紧凑的微细通道换热设备已得到广泛应用。液冷流道沸腾散热作为目前最高效的散热方式之一，已经得到了各国学者的广泛关注。与池沸腾相似，流道内沸腾也是分阶段发展的，但不同的地方在于，池沸腾的阶段性主要体现在时间上，而流道沸腾的阶段性主要体现在空间位置上，即沿着流道沿程发生阶段性的变化。这主要是因为流道外接动力泵，流道内的流体处于强迫对流状态。过冷流体从流道进口流入，在外接动力泵的驱动下，沿着流道沿程流动，且在流动过程中吸收从加热面传递来的热量，温度逐渐升高，流体含气率的也逐渐升高。流道沸腾过程中，可分为以下几个阶段：1液体对流换热区2表面（过冷）沸腾区3饱和核态沸腾区4双相强制对流换热区5干涸后的换热区6蒸汽对流换热区。作为流道内沸腾的两个重要的转折点，流道沸腾起始点（onb）是区分液体对流换热区和表面（过冷）沸腾区的临界点，流道临界热流密度（chf）是区分双相强制对流换热区与干涸后的换热区的分界点。对于沸腾散热系统的设计，除了要尽可能提高传热能力之外，更要注重对散热系统均匀性能的提升。当散热系统均匀性能较差时，不仅会造成散热系统的不稳定，严重情况下甚至会造成散热器的破裂。均匀性能好的沸腾散热系统不仅稳定性高，而且能从总体上提升系统的传热能力。由于流道内沸腾的空间阶段性，单相区相比于两相区传热能力差，这势必会导致沸腾散热系统的不均匀性，所以流道沸腾散热系统要尽可能保持在两相区，这也是工程应用所要求的。流道内沸腾两相区占比越大，散热系统均匀稳定性能越好，传热能力越高，沸腾起始点与临界热流密度之间的区域即可认为是两相区。如何对一个沸腾散热系统的均匀性能进行评估，对保证沸腾散热系统的稳定性十分重要。对液冷流道沸腾散热系统均匀性能的传统评估方法是通过计算热源温度均匀度rs来实现的，热源温度均匀度rs越小，温度梯度越小，沸腾散热系统均匀性能越好。但热源温度均匀度rs本质上是受散热器的影响，传统评估方法无法从本质上反映出沸腾散热系统均匀性能变化的原因。为解决上述问题，提出了一种基于沸腾曲线的液冷流道沸腾散热系统均匀性能评估方法，为保证液冷流道沸腾散热系统性能稳定提供了帮助。

技术实现思路

1、技术问题：本发明的目的是提供一种基于沸腾曲线的液冷流道沸腾散热系统均匀性能评估方法，该方法能从本质上反映出沸腾散热系统均匀性能变化的原因，作为对传统评估方法的补充，为保证液冷流道沸腾散热系统性能稳定提供了帮助。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：基于沸腾曲线的液冷流道沸腾散热系统均匀性能评估方法，包括以下步骤：

3、（1）制定液冷流道沸腾散热系统设计方案；

4、（2）对制定的散热系统设计方案，利用fluent软件建立有限元仿真模型；

5、（3）利用有限元仿真模型进行计算，得到不同的边界条件下，沿着液冷流道沿程的热流密度数据和流道沿程的壁面过热度数据；

6、（4）使用上述数据，绘制出流道沿程沸腾曲线图，获取两相区在流道内所占的长度。曲线斜率突然增大的点即可认为是沸腾起始点（onb），曲线斜率由正转负的点即可认为是临界热流密度（chf），沸腾起始点与临界热流密度之间的区域即为两相区；

7、（5）定义散热器温度均匀度rr，得出其与热源温度均匀度rs的联系。

8、进一步的，所述步骤（1）的具体步骤为：

9、制定液冷流道沸腾散热系统设计方案，包括沸腾散热器的尺寸与物性参数，热源的类型、尺寸、位置与物性参数，内部液冷流道形状与尺寸，传热介质的物性参数。

10、进一步的，所述步骤（2）的具体步骤为：

11、根据步骤（1）中的设计方案，通过ansys的scdm模块建立有限元仿真所需的几何模型，划分好流体域和固体域，确定好边界条件命名；将几何模型导入网格划分软件中进行网格划分前处理；将网格文件导入fluent中，进行多项流动，物质转换，流体运动粘度方程、模型能量方程的设定与选择，定义材料参数、求解器、求解相关参数的输入与设置，设定合理的流道沿程测温点，包括流道表面的测温点与散热器表面的测温点。

12、进一步的，所述步骤（3）的具体步骤为：

13、根据散热系统的设计载荷，设定模型计算的初始条件，所述不同的边界条件，具体指流道表面的粗糙度大小。将计算得到的结果导入cfd post模块中进行后处理，获取液冷流道沿程的热流密度数据和流道沿程的壁面过热度数据。

14、热流密度按下列公式计算：

15、

16、式中，为通道沿程第i个位置点处的热流密度；为通道沿程第i个流道表面测温点的温度；为通道沿程第i个散热器表面测温点的温度；为散热器材料的导热系数；为流道表面到散热器表面的距离。

17、壁面过热度按下列公式计算：

18、δ

19、式中，δ为通道沿程第i个位置点处的壁面过热度；为通道沿程第i个流道表面测温点的温度；为流动工质的饱和温度。

20、进一步的，所述步骤（4）的具体步骤为：

21、使用步骤（3）中获得的液冷流道沿程的热流密度数据、流道沿程的壁面过热度数据，以热流密度为y轴，壁面过热度为x轴，绘制流道沸腾曲线，曲线斜率突然增大的点即可认为是沸腾起始点（onb），曲线斜率由正转负的点即可认为是临界热流密度（chf），沸腾起始点与临界热流密度之间的区域即可认为是两相区。

22、进一步的，所述步骤（5）的具体步骤为：

23、根据步骤（4）所绘制的流道沸腾曲线图，获取两相区在流道内所占的长度，定义散热器温度均匀度rr，散热器温度均匀度rr越大，温度梯度越小，传热的均匀性能越好，按下列公式计算：

24、

25、式中，为两相区在流道内的所占的长度；为液体单相区在流道内的所占的长度；为气体单相区在流道内的所占的长度；为流道总长度。

26、热源温度均匀度rs反映了在液冷流道沸腾散热器为热源散热的过程中，热源不同位置的温度差值变化情况，热源温度均匀度rs越小，温度梯度越小，传热的均匀性能越好，按下列公式计算：

27、

28、式中：δ为沸腾散热系统热稳态状态下的温度差；为沸腾散热系统热稳态状态下的最高温度; 为沸腾散热系统热稳态状态下的最低温度。

29、将散热器温度均匀度rr与热源温度均匀度rs进行对比分析，得出两种温度均匀度之间的联系。

30、本发明基于沸腾曲线的液冷流道沸腾散热系统均匀性能评估方法，由通过获取散热系统的最高温度和最低温度来计算出热源温度均匀度rs转换成通过绘制以热流密度为y轴，壁面过热度为x轴的流道沸腾曲线获取两相区在流道内所占的长度来计算出散热器温度均匀度rr来评估沸腾散热系统的均匀性能。采用此评估方法，能从本质上反映出沸腾散热系统均匀性能变化的原因，为保证液冷流道沸腾散热系统性能稳定提供了帮助。