典型等截面直微通道對(duì)流換熱特性研究.pdf

1、隨著電子設(shè)備向大功率、高密度、小型化的方向發(fā)展，電子器件功率密度不斷增長，電子設(shè)備散熱問題越來越突出。微通道散熱具有結(jié)構(gòu)緊湊、易于工程實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，得到了研究者的廣泛關(guān)注。但是現(xiàn)有微通道散熱文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論研究結(jié)論不一致甚至相互矛盾，制約了微通道散熱技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。因此對(duì)微通道散熱機(jī)理的研究尚有很大的空間，微通道散熱技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。
　　 本文對(duì)典型等截面直微通道的換熱機(jī)理、分布式網(wǎng)絡(luò)微通道的流動(dòng)及換熱特性等進(jìn)行了研究，主

2、要工作如下：
　　 基于流體在微通道內(nèi)層流、充分發(fā)展、定常、連續(xù)、不可壓縮、忽略質(zhì)量力的假設(shè)，對(duì)等截面直微通道三維連續(xù)方程、動(dòng)量方程和能量方程進(jìn)行了分析，獲得了圓形、縫隙和矩形微通道的流動(dòng)簡(jiǎn)化控制方程及速度場(chǎng)表達(dá)式；
　　 研究了考慮軸向熱傳導(dǎo)、速度滑移和溫度跳躍的圓形微通道的熱傳導(dǎo)方程和能量方程的求解問題。利用逆解法，構(gòu)造了能量方程的一個(gè)特解。基于分離變量法，得到了熱傳導(dǎo)方程的非奇異解。根據(jù)熱源、流體平均溫度、溫度跳躍

3、及能量守恒等定解條件獲得了待定系數(shù)，進(jìn)而得到了定熱流邊界條件下的溫度場(chǎng)和平均努塞爾數(shù)的計(jì)算表達(dá)式。分析了平均努塞爾數(shù)隨速度滑移系數(shù)、管長和雷諾數(shù)的變化規(guī)律。
　　 基于分析法對(duì)考慮粘度耗散、軸向熱傳導(dǎo)、速度滑移和溫度跳躍的圓形微通道的強(qiáng)迫對(duì)流換熱問題進(jìn)行了研究，推導(dǎo)得到了圓形微通道定壁溫條件下的完備解，通過溫度跳躍邊界條件得到了本征值；基于斯特姆-劉維本征值問題，獲得了待定系數(shù)；推導(dǎo)出了溫度場(chǎng)和努塞爾數(shù)的計(jì)算表達(dá)式。仿真分析了努

4、塞爾數(shù)與布林克曼準(zhǔn)數(shù)、貝克萊數(shù)、速度滑移系數(shù)和溫度跳躍系數(shù)的關(guān)系，結(jié)果表明：努塞爾數(shù)與布林克曼準(zhǔn)數(shù)有關(guān)。當(dāng)壁面溫度與流體平均溫度之差為零時(shí)，努塞爾數(shù)奇異；努塞爾數(shù)隨貝克萊數(shù)的增大而增大，軸向熱傳導(dǎo)的影響隨貝克萊數(shù)的增大而減小。
　　 基于溫度跳躍邊界假設(shè)，通過構(gòu)造入口流體函數(shù)得到了溫度跳躍系數(shù)的計(jì)算式，為分析溫度跳躍與努塞爾數(shù)的關(guān)系奠定了基礎(chǔ)。
　　 通過對(duì)能量方程進(jìn)行管截面積分，推導(dǎo)得到了平均努塞爾數(shù)的計(jì)算式。針對(duì)工程

5、應(yīng)用，分析了軸向熱傳導(dǎo)和粘度耗散對(duì)微通道換熱性能的影響。仿真結(jié)果表明：當(dāng)貝克萊數(shù)大于10，可忽略軸向熱傳導(dǎo)；當(dāng)貝克萊數(shù)小于10，軸向距離與圓形微通道的比值小于0.1，需考慮軸向熱傳導(dǎo)的影響；當(dāng)貝克萊數(shù)為106時(shí)，其粘度耗散對(duì)換熱的影響極大，不可忽視；而當(dāng)貝克萊數(shù)為10時(shí)，粘度耗散對(duì)換熱影響極小。貝克萊數(shù)相同時(shí)，不同工質(zhì)的流體的耗散熱不同。
　　 在相同對(duì)流換熱面積、相同工質(zhì)情況下，按照相同流量、相同壓力、相同功率三種工況，對(duì)宏觀

6、管道和微管道的換熱能力進(jìn)行了對(duì)比和評(píng)價(jià)。
　　 基于分離變量法求解了縫隙微通道的能量方程，得到了縫隙微通道溫度場(chǎng)的級(jí)數(shù)解。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)溫度跳躍邊界條件求解得到了本征值，根據(jù)斯特姆-劉維本征值性質(zhì)，獲得了對(duì)稱熱邊界條件下的待定系數(shù)，推導(dǎo)出了溫度場(chǎng)和努塞爾數(shù)的計(jì)算表達(dá)式。分析了努塞爾數(shù)與布林克曼準(zhǔn)數(shù)、貝克萊數(shù)、速度滑移系數(shù)和溫度跳躍系數(shù)的關(guān)系。
　　 基于分離變量法獲得了非對(duì)稱熱邊界條件下縫隙微通道能量方程的級(jí)數(shù)解，根據(jù)

7、溫度跳躍邊界條件求解得到了本征值，并根據(jù)定解條件得到了待定系數(shù)，推導(dǎo)出了溫度場(chǎng)和上、下壁面努塞爾數(shù)的計(jì)算表達(dá)式，分析了努塞爾數(shù)隨軸向坐標(biāo)的變化規(guī)律，結(jié)果表明：軸向坐標(biāo)趨于無窮大，上、下壁面的努塞爾數(shù)數(shù)趨于一致；在某軸向位置，由于下壁面溫度與流體平均溫度之差為零，下壁面的努塞爾數(shù)奇異。
　　 基于能量守恒方程，推導(dǎo)了單個(gè)縫隙和圓形微通道的熱量平衡方程；再根據(jù)網(wǎng)絡(luò)圖論，推導(dǎo)了分布式網(wǎng)絡(luò)微通道的熱量平衡方程；針對(duì)工程案例進(jìn)行了溫度場(chǎng)仿