小尺度槽道換熱器的研究.pdf

1、微細(xì)尺度流動(dòng)和傳熱研究在高科技發(fā)展向微型化邁進(jìn)的應(yīng)用背景下，成為國際傳熱學(xué)和MEMS學(xué)中的研究重點(diǎn)，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。小尺度槽道換熱器就是在這種背景下發(fā)展起來的一種新的冷卻技術(shù)。其傳熱效率高，流動(dòng)阻力小的特點(diǎn)在工業(yè)領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景。本課題的開展對(duì)于了解微通道內(nèi)的流動(dòng)與換熱特性，設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的小尺度槽道換熱器以及促進(jìn)其工程應(yīng)用具有重要的意義。 本文以電子芯片冷卻為背景，設(shè)計(jì)了一種新型的小尺度槽道換

2、熱器，并通過搭建小尺度流動(dòng)換熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究和分析了小尺度換熱器的傳熱及阻力特性。實(shí)驗(yàn)過程中加工了多個(gè)具有不同尺寸矩形槽道組的小尺度換熱器作為實(shí)驗(yàn)段，由芯片散熱模擬塊給實(shí)驗(yàn)段加熱，水經(jīng)水泵加壓后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段將熱量帶走。加熱后的水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(gè)循環(huán)。本實(shí)驗(yàn)使用先進(jìn)的溫度、壓力傳感器，由高精度、多通道的Agilent數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集溫度及壓力信號(hào)，保證了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及可靠性。通過對(duì)不同

3、槽道尺寸的實(shí)驗(yàn)段在不同的流量和加熱功率下進(jìn)行測試，綜合探討小尺度槽道內(nèi)流體流動(dòng)和傳熱的基本規(guī)律。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：小尺度槽道內(nèi)層流到紊流的過渡比常規(guī)尺度提前。槽道底壁面熱負(fù)荷均勻分布的條件下，對(duì)流換熱的努謝爾特?cái)?shù)Nu隨雷諾數(shù)Re的增大而增大，紊流Nu數(shù)高于同等尺度下層流，質(zhì)量流量一定時(shí)，熱負(fù)荷越高，其內(nèi)工質(zhì)的Nu數(shù)值也越大；阻力系數(shù)f隨Re數(shù)的增大而降低，對(duì)于相同的雷諾數(shù)和加熱功率，當(dāng)量直徑越小，阻力系數(shù)越小。因此微管道換熱器內(nèi)水

4、的對(duì)流換熱具有優(yōu)良的換熱性能和阻力性能。 本文同時(shí)結(jié)合采用CFD數(shù)值計(jì)算軟件，用有限容積法進(jìn)一步分析了小尺度槽道內(nèi)的對(duì)流換熱問題，得到以下結(jié)論：小尺寸矩形槽道長徑比大于50以后，可以忽略入口效應(yīng)的影響；阻力系數(shù)f隨Re數(shù)的增大而降低，隨當(dāng)量直徑的減小而減小，與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果的趨勢相一致，此外，f還隨著高寬比的增加而增大；槽道Nu數(shù)隨著當(dāng)量直徑的減小而增大，隨著高寬比的增大而增大。與實(shí)驗(yàn)研究相比，本文數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)所得換熱特性和Re