汽液两相流能够及时有效地将电子设备的耗散热量带走

热管冷板或平板热管由于结合了热管强化散热技术与冷板强化散热技术, 已经成为电子设备阵列强化散热的重要手段之一。在热管冷板的工程应用中, 热管嵌入冷板内部, 冷板表面上直接安装电子设备, 电子设备的功率耗散生热直接传给冷板, 再由冷板传给热管并使热管起动, 接着从热管蒸发段输运到冷凝段, 最终热量由热管冷凝段外侧的冷却介质带走。由于热管的传热能力强、等温性良好, 能够及时有效地将电子设备的耗散热量带走, 同时冷板表面的表面温差也很小, 因此在长时间运行下冷板表面的塑性变形和翘曲很小, 电子设备与冷板之间的安装几乎不受影响, 为实现电子设备紧凑安装和工作可靠性的完美结合提供了可能。

为了有效解决阵列行波管的多热源、高热流散热问题, 研制了一种基于其安装空间尺寸的结构全新的热管冷板。热管由8 根竖直圆管、冷凝段连通管和蒸发段连通管组成, 其蒸发段嵌入冷板内部, 冷凝段伸入冷却水套, 其结构见图1。参考文献[ 1] 和[ 2]报道了该新型热管冷板的试验研究结果。

为进一步提高其工作性能和研究热管内部流动和传热机理, 有必要建立其内部汽-液两相流动和传热的数学模型, 并进行数值模拟研究。但由于热管内部过程包括耦合的汽液流动、液态工质的蒸发、沸腾、汽化及汽态工质的凝结等相变传热传质过程, 因而其内部流动与传热的模化与数值模拟十分困难。K. V afai 等[ 3, 4, 5] 对一种内部结构简单、单一加热热源且热流密度较低的热管冷板进行了数值模拟与试验研究, 分析求解了平板热管的启动和关闭的瞬态温度场分布特性, 同时采用无量纲方法获得了热管内的速度、压力和温度分布。牟其峥等[ 6] 对内部流动通道为矩形的热管冷板采用有限差分方法进行了数值模拟。本文在建立热管冷板内部汽-液两相流动与传热数学模型的基础上, 对新研制的热管冷板的运行特性进行了数值模拟。

热管内部汽液两相流动与传热的数学物理模型

假定热管冷板工作稳定时, 热管内部的两相流动与传热满足如下条件:

( 1) 蒸汽和液体的流动均为不可压的稳定流动;

( 2) 工质为常物性, 并处于饱和状态;

( 3) 蒸汽和液体均为层流流动, 流速不高;

( 4) 冷板沿壁厚方向的导热忽略不计, 热输入以热流密度的形式直接作用于热管内壁;

( 5) 蒸汽的轴向导热可以忽略不计。

采用双流体模型来描述热管冷板内部的两相流动与传热过程。双流体模型是通过考虑相变和界面上各个方向的动量和能量传递, 基于时间平均的思想发展起来的。汽液两相均被视为连续介质, 整个流场是汽液两相各自的流动传热及相互耦合作用的总和[ 7] 。根据双流体模型, 经过推导得到的热管内部汽液两相流动与传热的控制方程组。