異形硅基微通道內(nèi)流動(dòng)與強(qiáng)化換熱特性研究.pdf

1、針對(duì)當(dāng)今微電子、微能源以及生物芯片等行業(yè)對(duì)微型高效換熱器研究的迫切需求,本文采用標(biāo)準(zhǔn)的微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)加工工藝,設(shè)計(jì)并加工了一系列硅基異形微通道(鋸齒形微通道、內(nèi)肋形微通道、交錯(cuò)形微通道等),并在自主搭建的微通道單相/兩相流動(dòng)換熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上,首次系統(tǒng)研究了各種硅基異形微通道中的流動(dòng)阻力和強(qiáng)化換熱特性,同時(shí)通過(guò)數(shù)值模擬研究了異形微通道中的流動(dòng)特性并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。借助高速顯微可視化技術(shù)和同步測(cè)量技術(shù),本文還對(duì)異形微通道內(nèi)的

2、沸騰不穩(wěn)定性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)上述研究得到以下成果和結(jié)論:在異形硅基微通道單相流動(dòng)和傳熱研究方面發(fā)現(xiàn):相同當(dāng)量直徑的鋸齒形微通道比平直微通道耗用更多的泵功;鋸齒形微通道內(nèi)層流流動(dòng)摩擦常數(shù)比平直微通道的大,且隨Re數(shù)的增加而增長(zhǎng);相同當(dāng)量直徑的交錯(cuò)形微通道不會(huì)比平直形微通道耗用更多的泵功;交錯(cuò)形微通道的摩擦常數(shù)較相應(yīng)平直形微通道略有減小或基本保持不變。鋸齒形微通道和交錯(cuò)形微通道都能很好的強(qiáng)化換熱,對(duì)流換熱Nu數(shù)較平直微通道有明顯提高。相

3、同質(zhì)量通量下鋸齒形微通道和交錯(cuò)形通道能很好的降低壁面溫度;換熱熱阻隨流量的增加而減小;相同泵功條件下,鋸齒形微通道和交錯(cuò)形微通道的換熱熱阻與相應(yīng)平直形微通道相比有明顯下降。通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)內(nèi)肋形微通道、鋸齒形微通道和交錯(cuò)形微通道內(nèi)的流動(dòng)阻力特性進(jìn)行了研究和分析,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合良好。數(shù)值模擬形象直觀地描述了內(nèi)肋微通道、鋸齒形微通道和交錯(cuò)形微通道中的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng),同時(shí)顯示:內(nèi)肋形微通道中肋的拐點(diǎn)處的壓力

4、梯度最大即流動(dòng)能量損失最大,肋間的凹槽內(nèi)存在渦旋,隨Re數(shù)變大漩渦的強(qiáng)度增強(qiáng),漩渦的中心向下游偏移。鋸齒形微通道迎流面壓力高速度大,背流面壓力低速度小,拐角的凹陷處壓力高速度小。內(nèi)肋形微通道和鋸齒形微通道內(nèi)的流動(dòng)都具有周期性充分發(fā)展的特點(diǎn)。交錯(cuò)形微通道內(nèi),橫向通道縮短了實(shí)際流動(dòng)長(zhǎng)度,減小了流動(dòng)阻力,流體在橫向通道內(nèi)匯集破壞了流動(dòng)邊界層,生成漩渦促進(jìn)了流體的摻混,增加流動(dòng)阻力。本文在異形硅基微通道沸騰不穩(wěn)定性方面也進(jìn)行了探索。根據(jù)進(jìn)出口水

5、溫、壁面溫度、進(jìn)出口壓力是否隨時(shí)間顯著變化可將微通道沸騰分為穩(wěn)態(tài)沸騰和非穩(wěn)定沸騰兩類。
　　本文通過(guò)同步可視化研究和測(cè)量分析發(fā)現(xiàn):(1)穩(wěn)態(tài)沸騰模式下微通道內(nèi)的流型為泡狀流、塞狀流,溫度和壓力隨時(shí)間無(wú)明顯波動(dòng);非穩(wěn)定沸騰模式下微通道內(nèi)的流型為波狀流、環(huán)狀流、霧狀流,并存在大量的回流現(xiàn)象,溫度和壓力隨時(shí)間存在周期性的波動(dòng)。(2)非穩(wěn)定沸騰模式下溫度和壓力隨時(shí)間波動(dòng)的周期和振幅受質(zhì)量流率、熱流密度、當(dāng)量直徑和幾何結(jié)構(gòu)的影響。質(zhì)量流率和

6、當(dāng)量直徑的減小會(huì)引起溫度和壓力波動(dòng)周期和振幅的增加;熱流密度的增加對(duì)溫度和壓力的波動(dòng)周期影響較小,但會(huì)增加溫度和壓力的振幅;鋸齒形微通道結(jié)構(gòu)會(huì)增加溫度和壓力的波動(dòng)周期,增加壓力的振幅降低溫度的振幅,交錯(cuò)形微通道結(jié)構(gòu)會(huì)增長(zhǎng)溫度和壓力波動(dòng)周期,而對(duì)溫度和壓力的振幅基本無(wú)影響。(3)基于不同工況下異形微通道中的壓降-流量特征曲線分析發(fā)現(xiàn)增加熱流密度,減小當(dāng)量直徑都會(huì)增加系統(tǒng)的靜態(tài)不穩(wěn)定性,而異形結(jié)構(gòu)對(duì)微通道靜態(tài)不穩(wěn)定性影響較小。(4)發(fā)現(xiàn)質(zhì)量