[发明专利]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

说明书

本发明公开了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，包括测试管，流量调节阀，流量计，泵，冷凝器，预热器，缓冲罐，转速调节器，稳压装置，温度控制器，加热面，电源和温度采集器。模拟实验方法为微重力条件下流动沸腾传热临界热流密度可以通过用常重力条件下对应实验条件下θ＝315°与θ＝135°时测得临界热流密度区间内来代替。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及方法与直接进行微重力实验和传统的地面模拟方法相比，装置结构十分简单，操作十分便捷，经济性好，可以满足不同实验工况的实验测试；且可以精确、方便且经济地在地面上模拟微重力条件下的临界热流密度，应用范围相比于传统的模拟方法得到明显拓展。

技术领域

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。

发明内容

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：