帶擾流結(jié)構(gòu)的微通道流動(dòng)與傳熱數(shù)值研究.pdf

1、近十多年以來，微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)和納米技術(shù)得到了空前的發(fā)展，人類正從米、厘米的宏觀世界朝著微米、納米的微觀世界的道路上走下去，作為微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的一個(gè)重要分支——微流體技術(shù)，在近些年來，也已經(jīng)有了很大的發(fā)展，取得了可觀的進(jìn)步。在新的時(shí)代里，電子元器件微小化是必然趨勢(shì)。這些隨著時(shí)代應(yīng)運(yùn)而生的微型電子元器件改變了人類的生活方式，從此進(jìn)入“微時(shí)代”。隨著現(xiàn)代電子元器件集成程度越來越高的這種趨勢(shì)，各種電子元器件的功率越來越高、局部的熱流密度越來越大

2、，而導(dǎo)致這些集成化元器件失效的重要原因是，其工作時(shí)溫度過高，不能準(zhǔn)確有效地運(yùn)行。于是微尺度下的流動(dòng)和傳熱的問題就日益突出，并逐漸成為這些科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域邁向更高臺(tái)階進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。而微尺度加工技術(shù)的迅速發(fā)展的今天，使得電子元器件的體積越來越微小，重量越來越輕，功能越來越強(qiáng)大，集成度越來越高，為解決微尺度換熱問題提供了良好的先決條件，微尺度科學(xué)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中逐漸成為研究的前沿。在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，微尺度領(lǐng)域里傳熱、散熱也成了亟待突破

3、的難題。于是，這就給散熱技術(shù)提出了更高的要求，而針對(duì)這種高集成電子元器件，微通道散熱是最理想、最有效的方式，也是在散熱領(lǐng)域里的一個(gè)重要發(fā)展方向。
　　本文開展了對(duì)微通道散熱的理論研究，并建立了帶擾流結(jié)構(gòu)的微通道的模型，以及傳統(tǒng)長(zhǎng)直微通道模型，和相應(yīng)的研究方法。通過研究傳統(tǒng)長(zhǎng)直微通道在均勻熱載荷下的溫度分布以及換熱效率，分析其結(jié)果并對(duì)傳統(tǒng)長(zhǎng)直微通道方案的基礎(chǔ)行加以改進(jìn)，其具體的實(shí)施方案是在傳統(tǒng)長(zhǎng)直微通道的基礎(chǔ)上，增添了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的障礙

4、物即擾流結(jié)構(gòu)，這種帶擾流結(jié)構(gòu)的微通道的強(qiáng)化傳熱的機(jī)理是利用障礙物使流體產(chǎn)生徑向流動(dòng)，從而加強(qiáng)微通道內(nèi)流體的混合，并使流體在通道內(nèi)流動(dòng)的時(shí)候形成擾流漩渦，從而破壞流體流動(dòng)的邊界層，同時(shí)擾動(dòng)的流體可以獲得較高的對(duì)流傳熱系數(shù)，增強(qiáng)流體與微通道壁面之間的換熱效率。接著研究了擾流肋片的疏密程度對(duì)換熱的影響，分別對(duì)相同長(zhǎng)度段的微通道設(shè)置了4肋片跟6肋片兩種不同情況，計(jì)算得到其溫度分布云圖，分析對(duì)比得到結(jié)論。然后研究了入口速度對(duì)微通道換熱的影響，分別

5、設(shè)置了5個(gè)不同的入口速度，計(jì)算其速度場(chǎng)，溫度場(chǎng)，壓力場(chǎng)，最終分析得出結(jié)論。
　　本文的研究方法是應(yīng)用ANYSY CFD ICEM軟件建立帶擾流結(jié)構(gòu)的微通道以及傳統(tǒng)長(zhǎng)直微通道的二維模型，然后將模型分別導(dǎo)入FLUENT軟件中進(jìn)行定義固體材料以及流體屬性的前處理，然后并選擇 SIMPLE算法計(jì)算在均勻熱流量載荷的條件下，分別模擬計(jì)算傳統(tǒng)長(zhǎng)直微通道與帶擾流結(jié)構(gòu)的微通道流體流動(dòng)情況，研究了不同疏密程度的擾流肋片進(jìn)行計(jì)算分析對(duì)比。然后設(shè)置不同

6、的入口速度進(jìn)行計(jì)算，將得到的溫度分布云圖、壓力場(chǎng)、速度矢量圖、熱源處溫度分布圖以及流固交界面溫度分布圖進(jìn)行對(duì)比，最終分析得出的結(jié)論是：
　?。?）隨著入口速度增大，雷諾數(shù)增大，壓降也隨之增大，即所須提供微通道流體流動(dòng)的輸送動(dòng)力增加。
　　（2）對(duì)于已經(jīng)確定以水為工質(zhì)的微通道內(nèi)，微通道的換熱能力隨著流體流速的增大而增強(qiáng)，當(dāng)入口流體流速增大到一定程度是，換熱能力維持在一個(gè)穩(wěn)定的水平。所以在一定的范圍內(nèi)，可以通過增大流體速度，已達(dá)