并联矩形突扩微通道流动与强化换热研究

发布时间：2020-09-30 17:43

　　 随着微电子和集成电路等技术的进步和发展,电子芯片向着功能多、功率高、速度高和微小型化的方向发展。其越来越高的功率,导致电子芯片产生的较高的热流密度得不到去除,表面温度急剧上升,产品使用寿命随之降低,严重制约了高新技术的发展。传统的空气冷却技术已经满足不了高热流密度电子芯片的需要,而在液体冷却技术中,微通道具有结构小型、所需制冷剂用量少和散热量高等优点,使得微通道成为一种理想的电子器件散热器,也受到越来越多学者的关注。对于微通道流动换热的研究已经由矩形、三角形和圆形等简单的微通道结构逐步的向复杂的微通道结构方向发展。本文设计加工了一种并联矩形突扩微通道,以水、乙醇和氮气为工质,采用理论分析和实验研究手段,研究了水、乙醇单相工质和乙醇/氮气两相工质在热态条件下的流动与换热特性以及乙醇/氮气在冷态下的气液两相流流型。单相工质研究表明:对流动特性而言,随着雷诺数的增大,工质的进出口压降增大,并且相同流速下,乙醇的进出口压降比水大;相同热流密度下,工质进出口压降随着流量的增加而增加,但是随着流量的增加,不同热流密度间的压降差值减小。对换热特性而言,水和乙醇的微通道底面温度均随着雷诺数的增大而降低,但是在Re=225以后,微通道壁面温度下降幅度逐渐变缓;相同条件下,水的平均换热系数可达到7 000~10 000 W/(m~2·K),而乙醇的平均换热系数只能达到3 600~5 500 W/(m~2·K),水的换热能力明显大于乙醇。两相工质研究表明:对流动特性而言,乙醇/氮气气液两相工质的进出口压降随着液相折算速度和气相折算速度的增大均呈现增大趋势;随着气相折算速度的减小,分液相摩阻倍增系数Φ_l~2随X增大时的减小趋势变缓,不同气相折算速度曲线几乎连接成一条曲线,曲线的C值均等于2。对换热特性而言,乙醇/氮气的换热能力要比乙醇单相时较好,随着氮气流速的增加,促进乙醇流动的能力越强,扰动越强,传热得到了强化,并且氮气流速由0.089 m/s增加到0.268m/s时,微通道壁面的温度可以降低2～3℃。对气液两相流流型而言,乙醇/氮气气液两相工质流动过程中,随着气相流速的增大,依次出现泡状流、塞状流、弹状流和环状流;气相进入储液槽后,由于每条通道与进口距离不同,会出现流量分配不均问题,中间通道中气体含量大于两侧通道。
【学位单位】：石家庄铁道大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TK124;TN405
【部分图文】：

减排和高新技术的发展具有非常重要的意义。关领域的研究进展相流动与换热的研究年来，人们对于单相流动与传热的研究多集中在微通道的几和流动工质等的研究上，包括从矩形研究转变到对梯形、三、半圆形和锯齿形等结构研究，从去离子水转换到对纳米流体流体的进出口方式和微通道尺寸的研究等。am I. E[4]对微通道换热器进行实验研究，研究了微通道内的流关系。在一定的测量基础上，计算了摩擦系数，绘制雷诺数为 3布图。研究发现实验摩擦系数与理论方程吻合较好，在实验出了摩擦系数与雷诺数的相关关系，并且所提出的摩擦系数数据及已有的相关关系非常吻合。

(a)Ti-水纳米流体 (b)水图 1-2 工质有无纳米颗粒时微通道底面温度场对比Azizi[16]研究了 Cu-水纳米流体在直径为 25 nm 的圆柱形微通道散热器中的流换热系数和压降。其中散热器由 86 条轴向微通道组成，呈圆柱形。与以往似的实验相比，在不存在较大压降的情况下，纳米流体在 0.3%的质量分数时对流换热系数有明显的提高。然而，在一定程度上增加雷诺数会导致 MCH热有效性和传热性能降低，这是由于纳米颗粒在较高的流速下停留时间过短致与 MCHS 壁进行热交换接触的时间不足。最后，实验结果表明，寻找最佳流动速率对于传热过程是至关重要的。Junmei Wu[17]数值研究了 Al2O3-水纳米流体对改善 MCHS 整体性能的有效。研究发现与水相比，Al2O3-水纳米流体可以降低 MCHS 的热阻，改善 MCH底表面温度分布的均匀性，且热阻的降低与 MCHS 的基体材料有关。再者l2O3-水流体使得 MCHS 的泵功率损耗增加，这种损耗随着纳米流体体积浓度入口速度的增加而迅速增加。纳米流体改善 MCHS 散热特性与泵送功率有关有在泵送功率较高时，使用 Al2O3-水纳米流体作为冷却剂才能降低热阻，因此

表面张力不同，微通道中气泡的变化以及气液两相的流型有所不是在流型变化过程中都会依次出现泡状流、弹状流和拉伸气泡流。并且发泡变化的过程的扰动是气液两相流动不稳定的主要原因，当表面张力降低相流动的压降波动值可降低 2.1 kPa，流动稳定性提高。J. Li[30]使用高速摄像机和显微镜，观察水在沸腾下的两相流动模型，并在的质量流速下进行观察，微通道内的气液两相流型可以从局部蒸汽的生成辨别。观察发现，在低质量流速和低蒸汽发生速率条件下，流动为气泡流等质量流速和中等蒸气发生速率下，流动为波浪流;在高质量流速和高蒸汽速率时，流动为环形流。并且在所有情况下，各种流动状态在长时间内都定的。Aritra Sur[31]研究了内径分别为 100 μm、180 μm 和 324 μm 的圆形微通道道尺寸和表面相速度对空气-水两相流型和压降的影响。采用高速摄像机对流流型进行观察，观察发现了四种基本的流型，即泡状流、段塞流、波状环状流，建立了两相流型图，确定了不同流型之间的过渡边界。为了统一尺寸微通道内的流动过渡边界，以修改后的韦伯数为坐标绘制了新的流型

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本文编号：2831155