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1、河北工业大学硕士学位论文 i 应用场协同理论与降膜理论对片式散热器 进行强化传热的数值模拟与实验研究 应用场协同理论与降膜理论对片式散热器 进行强化传热的数值模拟与实验研究 摘摘 要要 在能源工程领域中，传热过程的强化是备受关注的问题。清华大学的过增元教授提出了场协同理论，运用变分方法导出了层流对流换热场协同方程，并指出改善速度场与热流场的协同程度可实现对流换热的强化， 而在工业中的液体降膜流动换热具有的小流量、高换热系数、高热流密度、结构简单、动力消耗小等优点。 本文基于场协同理论， 设计制造了弹簧扰流丝对片式散热器的内部流道强化传热进行了研究，最佳扰流丝可提高热效率 12.71%，并运用数
2、值模拟计算和实验相结合进行换热效果的验证。同时，运用降膜理论，对片式散热器的外部进行强化散热实验，得出最佳的间隔降膜蒸发方案，可提高热效率 32.26%。 针对上述两类实验进行理论分析， 同时对片式散热器内、 外两部进行强化换热实验，得到强化换热的最佳效果，可提高热效率39.7%。 同时依据实验数据拟合出降膜换热系数与净散热量和间隔喷淋密度的关系式：2.04860.00940.2311mhq=。前提条件为：400800wqw，2110.2761.835m inml m k 。 关键词关键词： 强化散热，片式散热器, 场协同, 降膜理论，弹簧丝，扰流，降膜蒸发 应用场协同理论与降膜理论对片式散热
3、器进行强化传热的研究 ii Numerical Simulation and Experiment Research of Enhanced Heat Transfer on Panel Type Radiator using Field-Coordination Principle and Falling-Film Principle Abstract Enhanced heat transfer is one of the major concerns in the field of thermal science and energy engineering. Professor Guo
4、 Zengyuan in Tsinghua University brought out a novel concept about heat transfer enhancementthe Field Coordination Principle. Then he deduced energy equation of steady laminar convection heat transfer by using variation method and concluded that convection heat transfer can be enhanced by changing t
5、he coordination degree between velocity field and temperature gradient field. In the industry field, the liquid Falling-Film flow heat transfer has the advantages of a small flow, high heat transfer coefficient, high heat flow density, simple structure, small power consumption and so on. Based on th
6、e Field-Coordination Principle, spring wire is designed and manufactured, then enhancement heat transfer of the internal flow channel about chip radiator is studied, the heat effieiency of optimum spring wire can be improved by 12.71%. Finally numerical simulation calculation and experiment are used
7、 to verify the result. At the same time, Falling-Film theory is applied to the external chip radiator for enhanced thermal experiment and the optimum method of interval Falling-Film evaporation can be got and the heat efficiency can be improved by 32.26%. According to these two types of experiments,
8、 theoretical analysis are carried out firstly, then enhanced heat transfer experiments are conducted in the inside and outside of chip radiator. At end, the best results about heat transfer enhancement are obtained. And total heat efficiency can be improved by 39.7%. 河北工业大学硕士学位论文 iii According to th
9、e experimental data, the relation formula among falling-film heat transfer coeiffient and net thermal quantity and interval spray density canbe fitted, that is 2.04860.00940.2311mhq=, prerequisite is 400800wqw，2110.2761.835minml mk . KEY WORDS: enhanced heat dissipation, chip radiator, falling-film
10、theory, the field coordination, spring wire, spoiler, falling film evaporator 河北工业大学硕士学位论文 vii 符号说明符号说明 本文中的符号，若文中没有特别说明，其意义均如下所示。文中特别说明所赋符号意义仅限于说明处有效。 t物体表面温度， 。 密度，3/mkg。 rR 导热热阻，/W。 导热系数，CmW/。 h 对流换热系数，)Cm/(W 2。 q表面热流密度，2/mW。 A面积，2m。 Nu努塞尔数。 Q表面传热量，W。 Gr格拉晓夫数。 流体的膨胀系数，1/ Co。 C比热，CkgJ/。 v流体的运动粘度，s
11、m /2。 g 重力加速度(取 9.8)，2/m s 。 rh散热器长度，m。 at环境温度，。 cot进出口油温差，。 H平均水平油道高度,m。 oict冷却器进口油温与空气的温差，。 I电流，A。 aot散热器的对数平均温差， 。 U 电压，V。 P 加热功率，W 。 0流体动力粘性系数，)/(smkg 。 表面温降，。 L长度，m。 W宽度， m。 HD当量直径 ，m。 u油的流速，sm/ 喷淋密度，L/(m2 *s) 原创性声明原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文不包含任何他人或集体已经发表的作
12、品内容，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 关于学位论文版权使用授权的说明关于学位论文版权使用授权的说明 本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的以下规定：学校有权采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供本学位论文全文或者部分内容的阅览服务； 学校有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流；学校有权向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位
13、论文作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 河北工业大学硕士学位论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1-1 课题的研究背景和意义 1-1 课题的研究背景和意义 能源是影响人类社会发展方向的物质基础，社会发展、人类文明的历史与能源利用和开发休戚相关，在当今快速发展的社会中，能源问题更是涉及到社会的方方面面，直接影响到整个世界经济的发展。热量传递是能量应用的关键问题之一，普遍存在于能源、化工、石油、材料、冶金材料等工程领域以及航空、电子等高科技领域。在生产过程中，为了降低换热设备的体积、减少换热设备的重量，节省能源的消耗，都要求尽可能地加大热量传递的速率，即强化传热。所谓强化传热的应用包括使用高热效
14、率的设备来实现能的源转化，或是利用更经济的设备来传递最多的热量，或是用更有效的冷却散热途径来确保高温部件安全正常的运行1,2,3。世界性能源危机更促进了强化传热技术发展，新的强化方法层出不穷，从实验室到工业应用的时间明显缩短，工业界对强化传热技术采用的态度越来越积极，其所获得的经济效果也显著增长，因此强化传热是现代热科学中十分引人注目的研究领域4。 变压器是电力传输中的重要设备，它对电能的安全使用具有重要意义5。 变压器在电力工程中的获得了广泛的应用，随着我国经济的高速发展，社会生活对电气的依赖程度也逐渐提高，城市用电量剧增，由于城市的特殊环境的限制，配电变压器的数量不可能很多，导致了配电变压器负载率增长，故障率不断上升，对电网的安全产生严重威胁。因此配电变压器的防火、防爆、安全等性能成了人们关注的问题6。目前电网上正在使用的大部分为油浸式变压器，而且其中 80%左右是使用的冷却方式为自然油循环。由于运行时冷却油温升过高，造成变压器油流带电、绝缘性能下降、线圈老化，引起变压器火灾、爆炸等事故。因此强化自然油循环冷却变压器的片式散热器散热、提高其冷却效果，不论从延长其使用寿命、减少热事故方面，还是从节能降耗，都会带来很大的社会经济效益。 目前变压器用的主流散热装置是片式散热器， 其运
