2022年4月，教育部发布的《加强碳达峰碳中和高等教育人才培养体系建设工作方案》中明确提出“拓展专业的深度和广度，推进新能源材料、装备制造、运行与维护、前沿技术等方面技术进步和产业升级”，对高校“双碳”人才培养体系建设提出较高要求。在“双碳”人才培养中，高校需要大力推进本科实践教学，加强实践平台建设，方可提升培养质量[1]。
随着全球半导体技术的高速发展，电子元器件单位面积发热量不断提升，局部热流密度甚至高达500 W/cm2以上，成为制约其性能的瓶颈。目前电子元器件的主要散热方式分为被动冷却和主动冷却两种，被动冷却包括空气对流换热和微型热管冷却，主动冷却包括射流冲击冷却、微通道冷却、相变冷却[2]。其中，相变冷却是利用液体气化潜热进行热交换从而提高热流密度的冷却方式，而微通道具有表面积大的特点，将二者结合可显著提高传热效率，因此微通道相变换热技术已成为近20年来的研究热点[3-5]。目前，大功率电子元器件的使用已从科研和军工领域快速地向民用领域普及，散热设计领域人才缺口激增，对高校热科学人才培养提出较高要求。能源学院作为“双碳”人才培养的重点单位，坚持与时俱进、开拓创新，逐步探索新的教学方法和培养模式[6-9]。但是，由于受到教学设备更新周期长、采购成本高、成品种类少等限制，实验教学项目往往无法随理论教学内容同步更新。就传热学学科而言，近年来研究方向逐步转向微尺度流动换热领域，现有的宏观尺度教学设备既无法满足学科发展需要，又无法使学生接触学科前沿知识。因此，研制一套可视化的微通道流动相变传热教学实验系统(简称实验系统)，有助于开展微通道换热实验教学。学生通过自主观察微通道内水沸腾现象，加深对强化传热概念的理解，掌握传热学基本物理量(温度、压力、流量等)测试、实验台架搭建等知识，以强化传热学基础知识和技能训练，培养严谨学风和逻辑思维能力，开阔学术视野，激发学习热情。
1 实验系统介绍
2 微通道内沸腾现象演示教学
3 结语
为了增强本科生对微尺度相变换热过程的深入了解，同时提升实验教学的前沿性，研制一套微通道流动相变传热可视化教学实验系统。实验系统主要由加热系统、可视化热沉室、测量系统以及相关管路和元器件组成，通道宽度为1 mm，既可体现微通道换热特征，又便于学生观察实验现象。实验系统可通过调节水流量和加热功率来演示微通道内不同程度的沸腾现象，让学生观察到塞状流、弹状流、环状流等典型气泡特征和生长变化过程，实验生动有趣、启发思考，极大地提升了学生的研究能力和创新能力。
参考文献
[1] 王如志,崔素萍,聂祚仁.“双碳”目标视角下“四位一体”本科教育模式创新[J].中国大学教学,2022(4):14-18.
[2] 宁璐璐,刘清江,杨凤,等.电子器件冷却技术研究进展[J].制冷与空调,2021,21(12):1-7.
[3] CONSOLINI L, THOME J R. A heat transfer model for evaporation of coalescing bubbles in micro-channel flow[J]. International Journal of Heat and Fluid Flow, 2010, 31(1): 115-125.
[4] HARIRCHIAN T, GARIMELLA S V. Effects of channel dimension, heat flux, and mass flux on flow boiling regimes in microchannels[J].International Journal of Multiphase Flow, 2009, 35(4): 349-362.
[5] HARIRCHIAN T, GARIMELLA S V. A comprehensive flow regime map for microchannel flow boiling with quantitative transition criteria[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2010,53(13-14): 2694-2702.
[6] 叶晓明,舒水明,陈刚,等.面向现代教学的能源动力类本科实践教学体系的改革与创新[J].科教文汇(下旬刊),2018(1):76-78.
[7] 成晓北,王晓墨,罗小兵.工程教育认证背景下能源动力类专业改革的探索[J].高等工程教育研究,2019(S1):11-13.
[8] 叶晓明,陈刚,成晓北,等.构建基于优质平台群的四层次创新人才培养实践教学体系[J].高等工程教育研究,2019(S1):30-33.
[9] 王晓墨,陈刚,成晓北.新工科背景下能源动力类专业建设探索
与实践:以华中科技大学能源与动力工程专业为例[J].高等工程教育研究,2019(S1):9-10.
[10] 张东辉,徐海洋,陈一,等.多孔微通道流动沸腾换热特性的实验研究[J].节能技术,2021,39(1):20-25.
[11] 孙帅杰,张程宾.微通道流动沸腾研究综述[J].建筑热能通风空调,2021,40(1):44-49,99.
[12] 刘广林,郭明宇,李泽,等.微通道流动沸腾压降及波动性[J].微纳电子技术,2021,58(7):598-603.
[13] 孙明美,贾力,银了飞,等.多孔材料微通道流动沸腾可视化实验研究[J].工程热物理学报,2022,43(1):226-232.
[14] PATEL R S, WEIBEL J A, GARIMELLA S V. Mechanistic modeling of the liquid film shape and heat transfer coefficient in annular-regime microchannel flow boiling[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2017(114): 841-851.
[15] 朱赤,幸文婷,叶晓明.大容器沸腾和冷凝换热教学实验设计[J].实验技术与管理,2021,38(12):175-179.
朱赤 刘志春 幸文婷 叶晓明 华中科技大学能源与动力工程学院 |
