直线和倾斜喷射对交叉流动的影响

本期给大家带来的是关于直线和倾斜喷射对交叉流动的影响研究内容，希望对大家有帮助。

射流冲击是冷却电子设备的一种非常有效的解决方案，因为它可以在冲击表面时产生非常高的传热速率。

随着现代芯片的功率密度的不断增加，使用流体射流作为一种热管理方法显示出了巨大的潜力。

由于它能够减轻更大的功率增加，喷射冲击冷却已经被详尽的探索。在过去的二十年里，对单次或多次撞击射流条件下的流动和传热特性的实验和数值研究一直是一个非常动态的研究领域。

对于高功率器件的冷却，有许多关于单个自由表面、水下射流和封闭射流的传热机理的出版物。

但在真正的电子冷却应用中，在大多数情况下，一组喷流被用来冷却高功率设备或电路板。

在这种结构下，射流相互作用，来自上游的交叉流影响着下游射流的形成和传热。

实验研究不同直射流阵列排列的冲击传热系数。图1显示了高教授用于进行测试的测试设置。实验测试装置包括几个部分：供应段、加热部分、增压室、冲击射流板和目标板。

压缩气流从左下角进入管道。气流首先通过一个孔板流量计。在孔板流量计的下游使用一个在线空气加热器，将空气加热到所需的主流温度。

一个数字温度控制器控制空气加热器，以保持一个恒定的主流温度。然后，空气通过一个三向分流阀。

空气在加热时，被绕回实验室，远离测试部分。在测试过程中，阀门被翻转，热气流进入静压室。试验断面的入口为横截面面积增加的管道，有三个分离的塑料网，确保气流在整个区域均匀分布。

然后，均匀分布的气流被迫通过一个带有冲击射流孔的板，然后直接撞击目标板。盘子和充气室都是方形的，由有机玻璃制成。

这些板与3个侧壁一起形成了一个撞击室，通常被称为乏空气通道（见图2）。

热电偶安装在冲击喷嘴中心线处的冲击喷射板表面，以测量冲击前的主流温度。它们被放置在喷嘴的上游侧，并记录主流气流的温度历史。

目标板上涂有热致变色液晶（TLC）。TLC监测并记录数码相机的颜色变化。由于薄层色谱的颜色与靶板表面温度直接相关，可以利用对流边界条件的半无限固体传热方程导出靶板的局部传热系数。

对不同的内联射流阵列和线性拉伸阵列配置进行了实验。图3显示了一个5×5射流阵列的努塞特数分布。

在试验中，射流孔为圆形，直径D为=0.635cm。喷射口的间距为4D。喷射板到目标板的间距Z/D从1到3不等。气流的出口在图像的右侧。

试验发现，喷射点之间的相互作用是因为它们之间的距离很短。随着来自上游喷流的交叉流量的增加，喷流几乎会在喷流之间的区域内合并。

同时，喷射间的相互作用随着雷诺数的增加而增加。在较低的Z/D=1下，射流撞击的形状显示出射流撞击时的交叉流效应，并且似乎向出口有更广泛的扩散。

对于较高的Z/D=3，这种效应似乎降低了，射流似乎完全撞击了表面，而不受来自上游废喷流的出口交叉流的任何影响。

在较大的Z/D=5中，喷流必须在撞击墙之前飞行更长的距离。通道出口的影响导致喷流在完全撞击表面之前向出口移动。

所有的喷流都垂直于目标板。为了研究交叉流对倾斜射流的影响，对倾斜射流阵列进行了实验研究。

测试段被设计为接受带有倾斜角度孔的射流冲击板。冲击孔为圆形，直径D为=0.635cm。射流阵列有12个×4孔。喷射口的间距为4D。射流板到目标板的间距Z/D固定为3。

可以通过改变排放口来改变流出口方向。图4显示了在±45°处撞击喷射流向垂直方向的方案。

案例1-3适用于+45°喷流的不同交叉流方向，案例4-6适用于-45°喷流的不同交叉流方向。板长度X被归一化，对应于D从0到48的孔直径。

图5显示了6例射流撞击平均雷诺数为12800的目标板上的努塞特数分布。结果从X/D=3.5到44.5中呈现。

图5a显示了不同交叉流动方向的+45°撞击角的努塞特数分布。情况1，即流在冲击后向两个方向出口，为大部分试验面提供了最高的努塞特数。这可能是由于在通道中心的交叉流效应最小。

与案例1相比，案例2和案例3提供的努塞尔数更低。图5b显示了不同交叉流动方向的-45°撞击角的努塞特数分布。

案例4中努塞尔特数最高。案例5和案例6的分布与案例2和案例3相似，撞击后的射流出口只有一侧开放。

图6a显示了喷流的交叉流出口方向的影响，以+45°角倾斜。在图像中清楚地指示了每个案例的出口方向。

在所有情况下，由于射孔分布，努塞特数分布表现出周期性的峰和谷。随着交叉流的增加，射流被扫走，它减少了对波峰板的冲击，从而减少了峰值和波谷之间的差异。

图6b显示了对以-45°角倾斜的喷流的交叉流出口方向的影响。案例4和案例5之间的差异小于案例1和案例2。

案例4的射流向主交叉流方向倾斜，与案例1相比，导致通道中间的撞击减少。在情况4和情况5中，这个撞击角似乎提供了沿整个河流方向方向的更均匀的峰谷努塞尔数分布。对于情况6，由于流量不足，存在一个大的X/D低努塞特数区域。

图7.喷射角度对双向交叉流出口的跨度平均努塞尔数分布的影响

图7比较了本文的角度冲击数据与直射流冲击数据与双向流出口的交叉流配置。直射流撞击器在喷射孔下明显提供了更高的努塞尔数。直道撞击的峰谷差异是显著的。

与-45°撞击的案例4相比，+45°撞击的案例1在更小的X/D区域产生更高的努塞特数。

研究中发现，射流阵列的跨度平均努塞特数分布呈周期性的峰谷分布，呈交叉流动方向的减小值。射流出口角和交叉流出口方向的组合对努塞特数分布有显著影响。

更重要的是，与角度喷流相比，直喷流在撞击位置下提供了更高的努塞特数。得出的结论是，角度喷流从孔出口到目标板的撞击距离增加40%，产生的总体平均努塞尔数低12-20%。

因此，在电子冷却应用中，由于某些设备和区域的高功率密度，建议使用直射流。

研究的射流撞击区域的下游，努塞尔特数减少是空气射流速度降低的结果。这是射流冲击冷却的一个非常重要的方面，因为局部努塞特数与射流速度成正比。

一般来说，与电子冷却应用中的传统对流冷却相比，射流冲击流可以提供更高的冷却能力。然而，由于电子设备的内部结构复杂，它们的现场部署和实现要复杂得多，需要更深入的分析。

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