微肋陣流動(dòng)與強(qiáng)化傳熱研究.pdf

1、近年來，飛速發(fā)展的電子科技行業(yè)給社會(huì)及日常生活帶來日新月異變革的同時(shí)，呈級(jí)數(shù)倍增長(zhǎng)的芯片集成度和功率也對(duì)集成電子的散熱問題提出了更高的要求，為了保證大功率高集成度電子元器件的正常運(yùn)行，微小空間高效散熱已經(jīng)成為傳熱領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題，其中微肋陣結(jié)構(gòu)由于面體比大、換熱效率高而受到越來越多的關(guān)注。
　　本文針對(duì)微肋陣結(jié)構(gòu)，提出并設(shè)計(jì)了一體化微肋陣流動(dòng)與換熱通道，在搭建的微肋陣流動(dòng)與換熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，實(shí)驗(yàn)研究了不同截面形狀微肋陣內(nèi)的單相流動(dòng)與傳

2、熱，通過與平直微通道內(nèi)微肋陣流動(dòng)與換熱的對(duì)比，明確了微肋陣結(jié)構(gòu)對(duì)于單相對(duì)流傳熱具有較好的強(qiáng)化效果，相同水力直徑微肋陣在相同雷諾數(shù)(Reynoldsnumber, Re)下的努賽爾數(shù)（Nusselt number, Nu）比平直矩形微通道高200％以上。通過對(duì)不同截面形狀微肋陣內(nèi)的流動(dòng)與傳熱的研究，發(fā)現(xiàn)由于受端壁面效應(yīng)影響，低流量下不同截面形狀微肋陣內(nèi)壓力降之間的差別較小，該差別隨著流量的增加而逐漸增大。在本文的實(shí)驗(yàn)測(cè)試工況范圍內(nèi)，軸向?qū)?/p>

3、熱對(duì)于微肋陣內(nèi)對(duì)流換熱的影響基本可以忽略不計(jì)。當(dāng)Re較低時(shí)，各加熱功率下不同截面形狀微肋陣內(nèi)Nu都相差不大;隨著Re的增加，微肋陣內(nèi)的端壁面效應(yīng)減弱，不同形狀微肋陣內(nèi)的對(duì)流換熱Nu之間的偏差變得逐漸明顯。加熱功率是影響微肋陣對(duì)流換熱性能的關(guān)鍵參數(shù)之一，隨著加熱功率的增大，不同形狀微肋陣在相同流量下的壓力降增大，且不同加熱功率下壓力降的變化率隨流量的增加而減小;各形狀微肋陣內(nèi)流動(dòng)阻力系數(shù)均隨加熱功率的增加而有所增大，低Re數(shù)下最大增幅均高

4、于110％。受尾流區(qū)流動(dòng)轉(zhuǎn)捩的影響，當(dāng)Re＞400后加熱功率不再對(duì)圓形和菱形截面微肋陣內(nèi)流動(dòng)阻力系數(shù)產(chǎn)生影響，而對(duì)三角形微肋陣而言，該現(xiàn)象出現(xiàn)于Re＞250。同時(shí)，加熱功率的增加強(qiáng)化了圓形和菱形微肋陣內(nèi)的對(duì)流換熱，其內(nèi)部平均Nu隨加熱功率的增加而增大的最大增幅均高于50％。當(dāng)Re＜250時(shí)三角形微肋陣內(nèi)Nu隨加熱功率的增加有所增大，當(dāng)Re＞250時(shí)則出現(xiàn)相反現(xiàn)象。3種形狀微肋陣熱阻隨加熱功率的增加而明顯減小，對(duì)于圓形及菱形截面微肋陣，當(dāng)

5、Re＞600后加熱功率對(duì)于熱阻的影響基本可以忽略，而對(duì)于三角形微肋陣，可忽略加熱功率影響的關(guān)鍵Re則為250。
　　針對(duì)微肋陣流動(dòng)阻力損失較大的瓶頸問題，本文通過在微肋陣流動(dòng)表面上涂覆不同含量納米粒子涂層的方法，獲得了具有不同表面接觸角的疏水性微肋陣，并研究了表面疏水性對(duì)于微肋陣內(nèi)流動(dòng)阻力和傳熱的影響規(guī)律。通過對(duì)比疏水性微肋陣與普通微肋陣的流動(dòng)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)表面疏水性處理能夠顯著降低流動(dòng)阻力，同時(shí)推遲流動(dòng)分離和尾流區(qū)轉(zhuǎn)捩，因此疏水性處

6、理對(duì)于分離較早、壓差阻力較大的微肋陣具有更加明顯的減阻效果。相同Re下，微肋陣內(nèi)阻力系數(shù)變化率隨接觸角的增加而逐漸增大;同一接觸角下，橢圓形微肋陣內(nèi)阻力系數(shù)變化率隨Re的增大而逐漸減小，菱形和圓形則先減小后保持常數(shù);當(dāng)接觸角為151.5°時(shí)菱形和圓形微肋陣內(nèi)最小阻力系數(shù)變化率分別為50.81％和58.68％。當(dāng)接觸角較小時(shí)，低Re下橢圓形微肋陣內(nèi)阻力系數(shù)變化率要高于菱形和圓形微肋陣，當(dāng)Re＞600時(shí)前者要低于后兩者;隨著接觸角的增大，圓

7、形微肋陣內(nèi)阻力系數(shù)變化率要明顯高于菱形和橢圓形微肋陣，菱形和橢圓形微肋陣在低Re下較為接近，在高Re下前者的阻力系數(shù)變化率要高于后者。表面疏水性處理使微肋陣內(nèi)流動(dòng)阻力大幅度降低的同時(shí)，也對(duì)傳熱產(chǎn)生了較大影響。由于疏水性涂層的導(dǎo)熱系數(shù)要低于紫銅基微肋陣，由此帶來的熱阻使得疏水性微肋陣內(nèi)對(duì)流換熱Nu有所降低，尤其是在較高Re數(shù)下，疏水性微肋陣內(nèi)的Nu明顯低于無疏水性涂層微肋陣。為了定量評(píng)估疏水性處理對(duì)于微肋陣結(jié)構(gòu)流動(dòng)和傳熱的綜合影響，本文對(duì)

8、不同接觸角微肋陣內(nèi)的能效特性進(jìn)行了估算，發(fā)現(xiàn)Re較低時(shí)疏水性微肋陣內(nèi)的綜合強(qiáng)化傳熱效果較為明顯，然而隨著Re的增加，該綜合強(qiáng)化傳熱效果有所下降，當(dāng)Re＞400時(shí)只有接觸角為119.5°和151.5°的疏水性微肋陣內(nèi)的綜合傳熱效果得到了明顯強(qiáng)化。
　　本文建立了矩形通道內(nèi)單個(gè)微圓柱及微肋陣的流固耦合流動(dòng)與傳熱數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)值模擬方法考察了熱流密度、微圓柱直徑、寬高比、體比等因素對(duì)單個(gè)微圓柱及微肋陣內(nèi)的流動(dòng)分離特性的影響。對(duì)于單個(gè)微

9、圓柱，流動(dòng)分離角和分離長(zhǎng)度均隨熱流密度的增加而增大，且回流長(zhǎng)度沿微圓柱軸向呈非對(duì)稱分布，這一點(diǎn)顯著區(qū)別于加熱狀態(tài)下的常規(guī)尺度圓柱繞流。另外，靠近加熱壁面附近區(qū)域截面上的回流長(zhǎng)度隨著寬高比和體比的增加而逐漸增大，且明顯大于遠(yuǎn)離加熱壁面區(qū)域的回流長(zhǎng)度;同時(shí)，相同截面上的回流長(zhǎng)度和分離角隨著寬高比和體比的增加而逐漸增加。對(duì)于微肋陣，肋片尾流區(qū)的分離角和回流長(zhǎng)度與肋片所處位置有關(guān)，同一排微肋片繞流的分離角沿流動(dòng)方向逐漸減小，同一微圓柱的繞流分離

10、角隨Re數(shù)的增加而增大;微肋片繞流的回流長(zhǎng)度主要由肋片間距決定。通過對(duì)不同排布和肋片間距、肋高、水力直徑的微肋陣內(nèi)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，減小微肋片水力直徑、肋片間距或增加肋高可以強(qiáng)化微肋陣內(nèi)的對(duì)流換熱，而微肋陣沿流動(dòng)方向的列數(shù)的增加則使得對(duì)流換熱系數(shù)略有減小?；跀?shù)值模擬結(jié)果獲得了新的阻力系數(shù)及Nu關(guān)聯(lián)式，能夠?qū)ξ⒗哧噧?nèi)部流動(dòng)特性進(jìn)行有效估算。通過模擬不同加熱功率下微肋陣內(nèi)流場(chǎng)與溫度場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，加熱功率的增大及其導(dǎo)致的流體熱物性變化使