微肋陣流動與強化傳熱研究.pdf

1、近年來，飛速發(fā)展的電子科技行業(yè)給社會及日常生活帶來日新月異變革的同時，呈級數(shù)倍增長的芯片集成度和功率也對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行，微小空間高效散熱已經(jīng)成為傳熱領域的熱點問題，其中微肋陣結(jié)構由于面體比大、換熱效率高而受到越來越多的關注。
　　本文針對微肋陣結(jié)構，提出并設計了一體化微肋陣流動與換熱通道，在搭建的微肋陣流動與換熱實驗平臺上，實驗研究了不同截面形狀微肋陣內(nèi)的單相流動與傳

2、熱，通過與平直微通道內(nèi)微肋陣流動與換熱的對比，明確了微肋陣結(jié)構對于單相對流傳熱具有較好的強化效果，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。通過對不同截面形狀微肋陣內(nèi)的流動與傳熱的研究，發(fā)現(xiàn)由于受端壁面效應影響，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。在本文的實驗測試工況范圍內(nèi)，軸向?qū)?/p>

3、熱對于微肋陣內(nèi)對流換熱的影響基本可以忽略不計。當Re較低時，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)的端壁面效應減弱，不同形狀微肋陣內(nèi)的對流換熱Nu之間的偏差變得逐漸明顯。加熱功率是影響微肋陣對流換熱性能的關鍵參數(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)流動轉(zhuǎn)捩的影響，當Re＞400后加熱功率不再對圓形和菱形截面微肋陣內(nèi)流動阻力系數(shù)產(chǎn)生影響，而對三角形微肋陣而言，該現(xiàn)象出現(xiàn)于Re＞250。同時，加熱功率的增加強化了圓形和菱形微肋陣內(nèi)的對流換熱，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Re＜250時三角形微肋陣內(nèi)Nu隨加熱功率的增加有所增大，當Re＞250時則出現(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，對于圓形及菱形截面微肋陣，當

5、Re＞600后加熱功率對于熱阻的影響基本可以忽略，而對于三角形微肋陣，可忽略加熱功率影響的關鍵Re則為250。
　　針對微肋陣流動阻力損失較大的瓶頸問題，本文通過在微肋陣流動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于微肋陣內(nèi)流動阻力和傳熱的影響規(guī)律。通過對比疏水性微肋陣與普通微肋陣的流動規(guī)律，發(fā)現(xiàn)表面疏水性處理能夠顯著降低流動阻力，同時推遲流動分離和尾流區(qū)轉(zhuǎn)捩，因此疏水性處

6、理對于分離較早、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);當接觸角為151.5°時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％。當接觸角較小時，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Re＞600時前者要低于后兩者;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)流動阻力大幅度降低的同時，也對傳熱產(chǎn)生了較大影響。由于疏水性涂層的導熱系數(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。為了定量評估疏水性處理對于微肋陣結(jié)構流動和傳熱的綜合影響，本文對

8、不同接觸角微肋陣內(nèi)的能效特性進行了估算，發(fā)現(xiàn)Re較低時疏水性微肋陣內(nèi)的綜合強化傳熱效果較為明顯，然而隨著Re的增加，該綜合強化傳熱效果有所下降，當Re＞400時只有接觸角為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化。
　　本文建立了矩形通道內(nèi)單個微圓柱及微肋陣的流固耦合流動與傳熱數(shù)學模型，通過數(shù)值模擬方法考察了熱流密度、微圓柱直徑、寬高比、體比等因素對單個微圓柱及微肋陣內(nèi)的流動分離特性的影響。對于單個微

9、圓柱，流動分離角和分離長度均隨熱流密度的增加而增大，且回流長度沿微圓柱軸向呈非對稱分布，這一點顯著區(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)域截面上的回流長度隨著寬高比和體比的增加而逐漸增大，且明顯大于遠離加熱壁面區(qū)域的回流長度;同時，相同截面上的回流長度和分離角隨著寬高比和體比的增加而逐漸增加。對于微肋陣，肋片尾流區(qū)的分離角和回流長度與肋片所處位置有關，同一排微肋片繞流的分離角沿流動方向逐漸減小，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度主要由肋片間距決定。通過對不同排布和肋片間距、肋高、水力直徑的微肋陣內(nèi)流場和溫度場的數(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化微肋陣內(nèi)的對流換熱，而微肋陣沿流動方向的列數(shù)的增加則使得對流換熱系數(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關聯(lián)式，能夠?qū)ξ⒗哧噧?nèi)部流動特性進行有效估算。通過模擬不同加熱功率下微肋陣內(nèi)流場與溫度場發(fā)現(xiàn)，加熱功率的增大及其導致的流體熱物性變化使