熱量傳輸在材料領域應用

1、基礎傳輸原理報告基礎傳輸原理報告熱量熱量傳輸在材料領域中的應用傳輸在材料領域中的應用姓名：劉粒祥 12012328盛寧悅 12012425學院：材料科學與工程學院熱量傳輸簡介熱量傳輸的應用總結參考文獻1 1 熱量傳輸簡介熱量傳輸簡介由于由于溫度差溫度差引起的熱量傳遞過程稱為熱量傳輸，簡稱傳熱。引起的熱量傳遞過程稱為熱量傳輸，簡稱傳熱。熱量傳遞過程中的推動力熱量傳遞過程中的推動力熱量傳輸的基本方式：熱量傳輸的基本方式：熱傳導熱傳導熱對流熱對流熱輻射熱輻射1 1 熱量傳輸簡介熱量傳輸簡介1.1 1.1 熱傳導熱傳導(Conduction(Conduction) )定義：定義：指溫度不同的物體各部分

2、或溫度不同的兩物體間直接接觸時，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運動而進行的熱量傳遞現象。導熱的特點：必須有溫差物體直接接觸依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運動而傳遞熱量。熱傳導過程示意圖1 1 熱量傳輸簡介熱量傳輸簡介1.2 1.2 熱對流熱對流(Convection(Convection) )定義：定義：流體中（氣體或液體）溫度不同的各部分之間，由于發(fā)生相對的宏觀運動而把熱量由一處傳遞到另一處的現象。對流換熱過程示意圖對流換熱特點： 導熱與熱對流同時存在的復雜熱傳遞過程 必須有直接接觸（流體與壁面）和宏觀運動；也必須有溫差 壁面處會形成速度梯度很大的邊界層 1 1 熱量傳輸簡介熱量

3、傳輸簡介1.3 1.3 熱輻射熱輻射(Radiation(Radiation) )定義定義：有熱運動產生的，以電磁波形式傳遞能量的現象。輻射換熱過程示意圖特點： 任何物體，只要溫度高于0 K，就會不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射； 可以在真空中傳播； 伴隨能量形式的轉變：熱電磁波熱； 1 1 熱量傳輸熱量傳輸簡介簡介日常生活中的例子： 為什么用手觸摸鐵比觸摸木頭感覺涼？主要原因是鐵的導熱系數比木頭的導熱系數大，在300K溫度下，純鐵的導熱系數是80.2 W/mK，木頭（硬木）約為0.16 W/mK。 夏天人在同樣溫度（如：25度）的空氣和水中的感覺不一樣。為什么？2 2 熱量熱量傳輸的應用傳輸的應用

4、航空航空航天：航天：高溫葉片氣膜冷卻與發(fā)汗冷卻；火箭推力室的再生冷卻與發(fā)汗冷卻微電子：微電子：電子芯片冷卻生物醫(yī)學：生物醫(yī)學：腫瘤高溫熱療；生物芯片；組織與器官的冷凍保存軍事：軍事：飛機、坦克；激光武器；彈藥貯存制冷：制冷：汽車空調/熱泵；高溫水源熱泵新能源：新能源：太陽能；燃料電池2 2 熱量熱量傳輸的應用傳輸的應用2.12.1電子芯片冷卻電子元器件體積的不斷變小和性能、速度的不斷提高 芯片的能耗和發(fā)熱功率也越來越大溫度每升高10度 , 系統(tǒng)可靠性將降低50%必須進行有效的散熱設計, 確保芯片能夠正常工作 風扇加熱沉是目前芯片冷卻使用得最普遍的形式。結構簡單, 使用方便，但風冷技術已不能滿足

5、芯片日益增長的散熱要求。2 2 熱量熱量傳輸的應用傳輸的應用2.12.1電子芯片冷卻液體因單位熱容相對氣體大, 因而以之作為循環(huán)工質的冷卻方式能達到比風冷更高的冷卻效果。目前應用的電子芯片液體散熱方式主要有： 液體噴射冷卻：流體法向沖擊傳熱表面, 形成很薄的速度和溫度邊界層,因而是一種可提供很高傳熱率的有效手段, 已被廣泛應用于各種工業(yè)過程中。 微通道液體冷卻：液體微管道由于具有很高的傳熱系數, 因此可利用其設計電子芯片內部冷卻用的水冷式散熱器, 并成為芯片液冷研究的一個重點。 宏觀水冷管路：冷散熱技術含量相對較低, 散熱效率高, 散熱器件的加工較為簡單, 成本較其他液冷方式低, 因而可被大多

6、數人接受。2 2 熱量熱量傳輸的應用傳輸的應用2.12.1電子芯片冷卻（液體噴射冷卻）2 2 熱量熱量傳輸的應用傳輸的應用2.12.1電子芯片冷卻（微通道液體冷卻）微通道的尺寸：從數微米到數毫米.制作的材料:硅、銅、鋁及其合金等.冷卻介質：除水外還有液氮、乙醇、硅油、氟利昂等.液體微管道由于具有很高的傳熱系數, 因此可利用其設計電子芯片內部冷卻用的水冷式散熱器, 并成為芯片液冷研究的一個重點。2 2 熱量熱量傳輸的應用傳輸的應用2.12.1電子芯片冷卻（宏觀水冷管路）CPU 芯片散發(fā)出的熱量通過水冷塊吸收, 再通過冷卻液將熱量傳遞到散熱器中散發(fā)出去。2 2 熱量熱量傳輸的應用傳輸的應用2.12

7、.1電子芯片冷卻現階段液冷方案沒有得到廣泛應用的原因主要是冷卻液密封的問題, 還有其設計通常更為復雜, 需要采用泵、閥等流控元件，壽命不長可靠性受到一定限制, 這也是芯片液冷今后需要研究解決的問題。2 2 熱量熱量傳輸的應用傳輸的應用2.2 2.2 高溫葉片氣膜冷卻在現代高性能燃氣渦輪發(fā)動機中,隨著渦輪前燃氣溫度的不斷提高,渦輪葉片表面的冷卻問題日益受到重視。在眾多的冷卻技術中,氣膜冷卻技術具有明顯的優(yōu)勢和較強的應用前景。通過在高溫部件表面開設槽縫或小孔，將冷卻介質以橫向射流的形式注入到主流中。在主流的壓力和摩擦力的作用下，射流彎曲并覆蓋于高溫部件表面，形成溫度較低的冷氣膜，從而對高溫部件起到

8、隔熱和冷卻的作用。2 2 熱量熱量傳輸的應用傳輸的應用2.2 2.2 高溫葉片氣膜冷卻與發(fā)汗冷卻不同部位葉片的氣膜冷卻： 靜葉片的氣膜冷卻：噴嘴靜葉處于燃燒室的出口下游，它承受著最高的燃氣溫度和由于燃燒室混合流動造成的自由流高湍流度。靜葉片要求在內部冷卻的同時，一些冷卻工質向外噴出起氣膜冷卻作用。 動葉片的氣膜冷卻：動葉片旋轉時受到離心力等的作用，使內部冷卻通道的流場變得異常復雜，改變了冷氣流進入氣膜孔的狀態(tài)，導致其呈現不同于靜態(tài)氣膜的流動和換熱特征。除此之外,動葉還會受到靜葉產生的不穩(wěn)定尾流的干擾。 葉片端壁的氣膜冷卻：端壁附近強烈的三維流動現象，使得對這一區(qū)域的氣膜冷卻難以有效實施，減小噴

9、射角度雖然能夠顯著地提高冷卻效率,但同時也明顯地增大了換熱系數,最終的冷卻效果取決于端壁熱負荷的大小。不同部位葉片的氣膜冷卻： 葉片前緣的氣膜冷卻：燃氣渦輪葉片前緣直接面對高溫來流的沖擊,通常是熱載荷最大的區(qū)域。由于葉片前緣區(qū)域流動條件的復雜性，而且前緣的氣膜冷卻不僅影響整個葉片的熱傳導，還影響葉柵的氣動性能，因此，前緣氣膜冷卻有效方案的設計既關鍵又困難。 葉片頂部的氣膜冷卻：透平葉片頂部是發(fā)動機中最關鍵的區(qū)域之一，頂部區(qū)域不耐用而且難以冷卻，從壓力面越過葉頂流向吸力面的間隙泄漏氣流是頂部損壞的主要原因。 葉片尾緣的氣膜冷卻：渦輪葉片的尾部往往是高溫部位，也最容易受熱腐蝕而損壞，由于葉片后部燃

10、氣側流動往往已發(fā)展為湍流，使該部位換熱強度增大，同時降低了上游噴出冷氣的冷卻效率，葉片內部冷氣經途中吸熱，到達尾緣時溫度也相對較高，致使冷卻作用較小。2 2 熱量熱量傳輸的應用傳輸的應用2.2 2.2 高溫葉片氣膜冷卻與發(fā)汗冷卻2 2 熱量熱量傳輸的應用傳輸的應用2.2 2.2 高溫葉片氣膜冷卻與發(fā)汗冷卻氣膜冷卻的研究應側重于以下幾個方面: 綜合考慮氣膜孔尺寸、長度、間隔、形狀以及相對透平葉片取向對氣膜冷卻的影響 研究粗糙度對氣膜冷卻的影響 間隙泄漏影響的研究 氣膜冷卻帶來的副作用 將氣膜冷卻技術與其它渦輪葉片冷卻技術相結合的復合冷卻p 熱量傳輸簡介：熱傳導、熱對流、熱輻射基本介紹p 日常生活

11、中的例子p 熱量傳輸在電子芯片冷卻方面的應用液體噴射冷卻微通道液體冷卻宏觀水冷管路冷卻p 熱量傳輸在高溫葉片氣膜冷卻方面的應用 靜葉片的氣膜冷卻 動葉片的氣膜冷卻 葉片端壁的氣膜冷卻 葉片前緣的氣膜冷卻 葉片頂部的氣膜冷卻 葉片尾緣的氣膜冷卻3 3 總結總結3 3 參考參考文獻文獻11雷俊禧雷俊禧, ,朱冬生朱冬生, ,王長宏王長宏, ,胡韓瑩胡韓瑩. . 電子芯片液體冷卻技術研究進展電子芯片液體冷卻技術研究進展J. J. 科學科學技術與工程技術與工程,2008,15:4258-4263+4269.,2008,15:4258-4263+4269.22唐亞男唐亞男, ,高學農高學農, ,顏家桃顏家桃. . 液體冷卻技術研