疏水性微肋陣內(nèi)對流換熱及Micro-PIV流動可視化研究.pdf

1、隨著微電子設(shè)備集成度的提高，單位空間熱流量急劇增加，嚴重影響微電子設(shè)備的正常運行。微肋陣作為一種高效微型散熱結(jié)構(gòu)，以其高面體比、結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效率高等優(yōu)點，在微空間電子散熱領(lǐng)域受到研究者普遍關(guān)注。大量研究表明，微肋陣結(jié)構(gòu)具有出色的強化傳熱能力，然而受微肋片繞流的影響，其內(nèi)部流動阻力也相對較高。這使得微肋陣的強化傳熱效果在無動力條件下難以充分發(fā)揮，大大阻礙了微肋陣冷卻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展。
　　本課題設(shè)計了一體化微肋陣流動與換熱通道并搭

2、建了微肋陣流動與換熱實驗臺，實驗研究了微肋陣內(nèi)的單相流動與換熱機理。針對微肋陣流動阻力損失過大的瓶頸問題，本課題通過在橢圓形微肋陣表面涂覆不同含量納米粒子涂層的方法，使得實驗所用疏水性微肋陣具有多種表面接觸角，改變Reynolds數(shù)，測得實驗段內(nèi)的壓降、流動阻力系數(shù)f及Nusselt數(shù)，并研究了不同接觸角對微肋陣換熱及流阻的綜合影響。研究表明，疏水性涂層減阻效應(yīng)顯著，接觸角增大，流阻系數(shù)和壓降隨之減小;Nu會因疏水性涂層而降低，且三種疏

3、水性微肋陣內(nèi)Nu之間的偏差隨功率的增加而增大;雖然表面疏水性導(dǎo)致微肋陣內(nèi)的Nu降低，接觸角為151.5°超疏水橢圓形微肋陣仍具有較好的能效特性。同時，考慮到肋片截面形狀對流動和換熱有重要影響，本課題還考察了圓形、菱形以及橢圓形三種截面形狀對于微肋陣內(nèi)流動及對流換熱影響規(guī)律，利用超疏水表面的減阻特性，定量評估不同形狀超疏水微肋陣的綜合強化傳熱效果。研究結(jié)果表明，超疏水處理后圓形、菱形、橢圓形微肋陣內(nèi)摩擦阻力系數(shù)與未處理前相比最大可降低72

4、％，66％，70％;同時，三種截面微肋陣內(nèi)Nu有所降低，且疏水前后微肋陣Nu偏差隨加熱功率的增加逐漸減小，高加熱功率下三種微肋陣超疏水處理前后Nu偏差最大分別不超過44％，17％，47％;高加熱功率下超疏水菱形微肋陣在Re＜1200范圍內(nèi)具有良好的綜合傳熱強化性能，綜合傳熱強化因子ψ始終高于1.17。
　　本課題采用Micro-PIV測試技術(shù)測量了微肋陣通道入口處速度場，結(jié)果表明通過Micro-PIV測試方法能準確的反映微肋陣內(nèi)流

5、動特征。然后考察了疏水性及截面形狀對微肋陣內(nèi)流動分離特性的影響。結(jié)果表明:未經(jīng)疏水性處理的圓形微肋陣，當Re=250時，最中間的圓柱尾部開始出現(xiàn)了兩個對稱的小漩渦，比起宏觀尺度下Re＞5時就出現(xiàn)了尾渦有明顯的滯后。沿微肋陣通道不同排圓柱尾部分離角和回流長度Lv的值均隨Re的增加而增大;相同Re下，上游圓柱的Lv的值小于下游圓柱。經(jīng)疏水性處理的微肋陣，邊界層分離發(fā)生了推遲，隨接觸角的增大推遲得越顯著，大大降低了壓差阻力;比起非流線型的圓形