模塊式微熱光電系統(tǒng)冷卻通道內(nèi)流動換熱特性研究.pdf

1、近年來，微機電系統(tǒng)(MEMS)發(fā)展迅速，模塊式微熱光電系統(tǒng)憑借結(jié)構(gòu)簡單、能量轉(zhuǎn)換效率高、便于裝配等特點越發(fā)引起人們的關(guān)注。然而，其內(nèi)部核心部件之一熱光伏電池的散熱問題一直制約著它的發(fā)展。本課題選用微通道散熱器對其進行冷卻。但是微尺度下流體流動換熱機理尚不明確。本文對微通道內(nèi)流動換熱特性進行數(shù)值模擬計算和分析，探索微通道內(nèi)換熱機理。本研究為新型微熱光電系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化提供理論依據(jù)，具有重要現(xiàn)實意義。
　　以矩形微通道為研究對象，利用

2、UDF自定義函數(shù)實現(xiàn)微通道內(nèi)流體物性隨溫度改變和不均勻熱邊界條件，建立了基于表面粗糙單元形狀的PML模型，研究表面粗糙度、溫粘關(guān)系等微尺度效應(yīng)對微通道流動和換熱的影響。結(jié)果分析表明:(1)壁面粗糙度對微通道內(nèi)流動換熱影響很大，假設(shè)壁面光滑已無法真實模擬微通道內(nèi)的流動換熱。當Re=100，De=0.2mm，相對粗糙度ε/H≥1％的微通道不能忽略粗糙度的影響。(2)流體粘度隨溫度變化對流動泊肅葉數(shù)Po的影響不能忽略，溫度升高后，粘度減小，導(dǎo)

3、致流動泊肅葉數(shù)沿軸向減小。粘性耗散作用對入口處附近傳熱的影響不能忽略。(3)相同條件下，非均勻熱流密度時微通道充分發(fā)展段泊肅葉數(shù)Po和努賽爾數(shù)Nu，均與均勻熱流密度下的模擬結(jié)果相差約12％。因此，在建立微通道數(shù)值模型時，應(yīng)考慮以上幾點因素的影響。
　　基于連續(xù)介質(zhì)的方法建立了微通道內(nèi)單相流動換熱數(shù)值模型，通過與相同模型的實驗結(jié)果比較，驗證了模型的準確性。討論了壁面厚度、截面寬高比、當量直徑、和Re數(shù)等因素對通道流動換熱的影響，比較

4、了不同形狀通道的流動和傳熱的優(yōu)劣。研究發(fā)現(xiàn):在一定范圍內(nèi)增加微通道散熱器受熱壁面的厚度可提高溫度均勻性。微通道的換熱系數(shù)隨著截面寬高比的增大而減弱，入口流速增大能提高通道散熱性能和減小流動阻力。通道當量直徑與流動阻力系數(shù)成反比。與矩形和棒束狀微冷卻通道相比，圓形冷卻通道的微熱光電系統(tǒng)熱效率最高。
　　選用VOF模型模擬了微通道內(nèi)氣液兩相沸騰流動換熱。利用UDF實現(xiàn)了工質(zhì)相變、沸騰段對流換熱關(guān)聯(lián)式的導(dǎo)入和表面張力的設(shè)置。結(jié)果驗證了其