異形硅基微通道內流動與強化換熱特性研究.pdf

1、針對當今微電子、微能源以及生物芯片等行業(yè)對微型高效換熱器研究的迫切需求,本文采用標準的微電子機械系統(tǒng)(MEMS)加工工藝,設計并加工了一系列硅基異形微通道(鋸齒形微通道、內肋形微通道、交錯形微通道等),并在自主搭建的微通道單相/兩相流動換熱實驗臺架上,首次系統(tǒng)研究了各種硅基異形微通道中的流動阻力和強化換熱特性,同時通過數值模擬研究了異形微通道中的流動特性并與實驗結果進行了對比。借助高速顯微可視化技術和同步測量技術,本文還對異形微通道內的

2、沸騰不穩(wěn)定性進行了實驗研究。通過上述研究得到以下成果和結論:在異形硅基微通道單相流動和傳熱研究方面發(fā)現:相同當量直徑的鋸齒形微通道比平直微通道耗用更多的泵功;鋸齒形微通道內層流流動摩擦常數比平直微通道的大,且隨Re數的增加而增長;相同當量直徑的交錯形微通道不會比平直形微通道耗用更多的泵功;交錯形微通道的摩擦常數較相應平直形微通道略有減小或基本保持不變。鋸齒形微通道和交錯形微通道都能很好的強化換熱,對流換熱Nu數較平直微通道有明顯提高。相

3、同質量通量下鋸齒形微通道和交錯形通道能很好的降低壁面溫度;換熱熱阻隨流量的增加而減小;相同泵功條件下,鋸齒形微通道和交錯形微通道的換熱熱阻與相應平直形微通道相比有明顯下降。通過數值模擬對內肋形微通道、鋸齒形微通道和交錯形微通道內的流動阻力特性進行了研究和分析,并與實驗結果進行了對比,發(fā)現數值模擬結果與實驗值吻合良好。數值模擬形象直觀地描述了內肋微通道、鋸齒形微通道和交錯形微通道中的壓力場和速度場,同時顯示:內肋形微通道中肋的拐點處的壓力

4、梯度最大即流動能量損失最大,肋間的凹槽內存在渦旋,隨Re數變大漩渦的強度增強,漩渦的中心向下游偏移。鋸齒形微通道迎流面壓力高速度大,背流面壓力低速度小,拐角的凹陷處壓力高速度小。內肋形微通道和鋸齒形微通道內的流動都具有周期性充分發(fā)展的特點。交錯形微通道內,橫向通道縮短了實際流動長度,減小了流動阻力,流體在橫向通道內匯集破壞了流動邊界層,生成漩渦促進了流體的摻混,增加流動阻力。本文在異形硅基微通道沸騰不穩(wěn)定性方面也進行了探索。根據進出口水

5、溫、壁面溫度、進出口壓力是否隨時間顯著變化可將微通道沸騰分為穩(wěn)態(tài)沸騰和非穩(wěn)定沸騰兩類。
　　本文通過同步可視化研究和測量分析發(fā)現:(1)穩(wěn)態(tài)沸騰模式下微通道內的流型為泡狀流、塞狀流,溫度和壓力隨時間無明顯波動;非穩(wěn)定沸騰模式下微通道內的流型為波狀流、環(huán)狀流、霧狀流,并存在大量的回流現象,溫度和壓力隨時間存在周期性的波動。(2)非穩(wěn)定沸騰模式下溫度和壓力隨時間波動的周期和振幅受質量流率、熱流密度、當量直徑和幾何結構的影響。質量流率和

6、當量直徑的減小會引起溫度和壓力波動周期和振幅的增加;熱流密度的增加對溫度和壓力的波動周期影響較小,但會增加溫度和壓力的振幅;鋸齒形微通道結構會增加溫度和壓力的波動周期,增加壓力的振幅降低溫度的振幅,交錯形微通道結構會增長溫度和壓力波動周期,而對溫度和壓力的振幅基本無影響。(3)基于不同工況下異形微通道中的壓降-流量特征曲線分析發(fā)現增加熱流密度,減小當量直徑都會增加系統(tǒng)的靜態(tài)不穩(wěn)定性,而異形結構對微通道靜態(tài)不穩(wěn)定性影響較小。(4)發(fā)現質量