微通道中流體流動與傳熱特性的研究.pdf

1、微通道中的流動和傳熱對于傳熱學(xué)科和集成電路芯片冷卻技術(shù)的發(fā)展具有重要的學(xué)術(shù)價值和工程應(yīng)用前景。 本文對流體在矩形微通道中的流動和傳熱展開實驗和理論研究，研制了一套微通道中流動和傳熱的實驗系統(tǒng)。實驗段采用可替換的并行矩形微通道結(jié)構(gòu)，加熱段放置在微通道的底部，微通道的當(dāng)量直徑為0.49、1.07mm，長度為80mm，該長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過文獻(xiàn)中其他實驗通道長度，使流體達(dá)到了充分發(fā)展。在實驗中，Re數(shù)的范圍在500-6000之間，加熱的熱流密

2、度在6.25×10<'4>W/m<'2>9×10<'3>W/m<'2>之間。 冷態(tài)實驗條件進(jìn)行了流動特性實驗下。實驗結(jié)果表明，當(dāng)量直徑為0.49mm的微通道(通道＃1)中的摩擦阻力系數(shù)比常規(guī)尺度中的小，臨界雷諾數(shù)為1000；當(dāng)量直徑為1.07mm的微通道(通道＃2)中的摩擦阻力系數(shù)接近于常規(guī)尺度的阻力系數(shù)；在熱態(tài)實驗條件下，通道＃1中的摩擦阻力系數(shù)增大，接近于常規(guī)尺度的系數(shù)，臨界雷諾數(shù)從1000增至1500，通道＃2的摩擦阻力系

3、數(shù)基本保持不變，臨界雷諾數(shù)在700-1200之間。 在冷態(tài)實驗的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步進(jìn)行了微通道的對流換熱實驗，采用電加熱的方法，熱量從試驗片底部向上傳導(dǎo)，一部分熱量傳至微通道的底面和側(cè)面，經(jīng)由流體的對流換熱，從微通道中排出，一部分熱量傳至玻璃蓋板，其中一小部分經(jīng)由自然對流換熱，排至外界環(huán)境中。流體、試驗片和玻璃蓋板的溫度在流動方向上逐漸增大，通道＃1和通道＃2的平均Nu數(shù)均比常規(guī)尺度下管道的充分發(fā)展段Nu數(shù)小，經(jīng)分析認(rèn)為這種現(xiàn)象是由

4、加熱方式的不同造成的。 運(yùn)用FLUENT軟件對微通道中的流動和傳熱還進(jìn)行了數(shù)值模擬，以檢驗常規(guī)理論模型對微通道中的流動和傳熱的適用性。 在數(shù)值模擬中先后采用常規(guī)尺度下的層流模型和標(biāo)準(zhǔn)K-ε驥型與增強(qiáng)壁面函數(shù)模型的混合模型對微通道內(nèi)的流動和傳熱進(jìn)行了數(shù)值模擬。經(jīng)過模擬，發(fā)現(xiàn)不論是層流模型還是標(biāo)準(zhǔn)K-ε型與增強(qiáng)壁面函數(shù)模型的混合模型都不能準(zhǔn)確地模擬微通道中的流動現(xiàn)象，其機(jī)理尚需進(jìn)一步研究。對于傳熱特性，標(biāo)準(zhǔn)K-ε型與增強(qiáng)壁面