小尺度流道換熱器換熱與流動特性研究.pdf

1、現(xiàn)代高新技術(shù)發(fā)展中各種微尺寸結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)的開發(fā)，迫切需要對微尺度流動和傳熱特性進(jìn)行研究，其進(jìn)展將給設(shè)備的小型化和微型化帶來革命性的變革，而微尺度條件下流動與傳熱過程呈現(xiàn)出許多與常規(guī)尺度情況不同的現(xiàn)象，也對已有的唯象理論提出了挑戰(zhàn)，從而成為當(dāng)今熱科學(xué)研究領(lǐng)域中的一個新的熱點。 本文以電子芯片冷卻為背景，設(shè)計了一種新型的小尺度槽道換熱器，通過數(shù)值模擬方法與實驗研究相結(jié)合，綜合探討小尺度換熱器的傳熱及阻力特性及其影響因素。 在數(shù)

2、值模擬的過程中，小尺寸矩形通道的當(dāng)量直徑d<,e>=0.2mm～1.4mm，高寬比h/w=2～10。采用有限容積法，并對CFD軟件進(jìn)行了二次開發(fā)，改進(jìn)了Boussincsq假設(shè)，對所有計算區(qū)域，均采用變物性求解技術(shù)，湍流區(qū)的計算均采用標(biāo)準(zhǔn)k=-ε模型與壁面函數(shù)法相結(jié)合的方法，整場耦合求解微流道內(nèi)的流場與溫度場。并建立了兩種不同槽道布置型式(平行型與放射型)的小尺度換熱器的三維整體模型，對比分析了槽道布置方式的不同對小尺度換熱器整體性能的

3、影響。 數(shù)值計算的結(jié)果表明：在所研究的范圍內(nèi)，液體在小尺度通道中的層流阻力系數(shù)與流道當(dāng)量直徑的關(guān)系不大，液體的紊流阻力系數(shù)隨著當(dāng)量直徑的減小而略有減小；阻力系數(shù)，隨著流體介質(zhì)Pr數(shù)的減小而略有減小；液體在小尺度矩形通道中對流換熱，流道特性尺寸對層流對流換熱影響不大，紊流對流換熱努謝爾特數(shù)隨著當(dāng)量直徑的減小而增大；Nu數(shù)隨著Pr數(shù)的增大而增大。 在單相強(qiáng)迫對流情況下，對不同當(dāng)量直徑(0.55mm、0.91mm、1.38mm

4、)，槽道截面形狀分別為矩形和三角形的小尺度流道換熱器，以水和乙二醇溶液為介質(zhì)，進(jìn)行實驗研究。實驗雷諾數(shù)的范圍為300～3000。實驗過程中，由芯片散熱模擬塊給實驗段加熱，流體經(jīng)水泵加壓后進(jìn)入實驗段將熱量帶走。加熱后的換熱介質(zhì)通過板式換熱器由恒溫水槽中的冷水將其冷卻，冷卻后再進(jìn)入水泵完成一個循環(huán)。 實驗結(jié)果表明：小尺度流道換熱器的槽道形狀、單槽道的當(dāng)量直徑，換熱介質(zhì)的物性參數(shù)以及槽道的布置型式對單相對流換熱與流動特性有顯著影響．槽

5、道形狀與雷諾數(shù)相同的情況下，當(dāng)量直徑越大，Nu數(shù)越大；從換熱效果來看，三角形槽道換熱器要優(yōu)于同當(dāng)量直徑的矩形槽道的換熱器；換熱介質(zhì)的Pr數(shù)越大Nu數(shù)也越大；小尺度槽道內(nèi)流動阻力系數(shù)低于常規(guī)尺度槽道；矩形流道換熱器阻力特性明顯優(yōu)于三角形流道換熱器；流動阻力系數(shù)f隨當(dāng)量直徑的增大而減??；阻力系數(shù)與工質(zhì)Pr數(shù)無關(guān)；層流向湍流過渡的臨界雷諾數(shù)Re<,c>較常規(guī)尺度提前，大約為700～1200。另外，本文數(shù)值計算與實驗測試所得結(jié)果基本一致，以Nu