纳米流体在分形微通道中的流动与换热特性研究

发布时间：2020-04-17 17:16

【摘要】：随着微电子技术的高速发展,电子芯片的功率和集成度日益增长,微型元件系统内的热流密度非常大。传统的冷却方式已经不能满足高热流密度电子器件的散热需求,为使电子器件的工作温度保持在允许范围内,设计新型高效的冷却散热装置成为一个亟需解决的问题。分形树状微通道是受仿生原理启发而研制的一种新型热沉结构,具有较强的传热传质能力。将其应用于电子芯片的冷却与传统平行微通道热沉相比,具有压降小、热阻小、温度分布相对均匀的优点;而新型的换热工质纳米流体在一定条件下具有较高的导热系数;将纳米流体与分形微通道相结合为解决高热流密度芯片的冷却问题提供了一个良好途径。为研究纳米流体在分形微通道中的流动与换热特性,设计并加工了初始通道长为7.11mm,水力直径为360μm的分形微通道热沉;在雷诺数为80~700范围内,分别以Ti O_2、Al_2O_3纳米流体和去离子水为冷却工质在分形微通道热沉中进行实验。并从努塞尔数、压降、热阻、摩擦阻力系数以及强化传热因子等方面研究质量分数为0.01%~0.15%时TiO_2、Al_2O_3纳米流体在分形树状微通道中的流动与对流换热特性。研究结果表明:分形微通道热沉的底面温度分布均匀,具有较好的均温性;纳米流体在分形微通道热沉中能有效降低底面温度,提高其均温性,相比去离子水底面温度降低了3~5.4℃;分形微通道中Al_2O_3-水纳米流体的努塞尔数为去离子水的1.32~1.67倍,TiO_2-水纳米流体的努塞尔数为去离子水的1.56~1.99倍,质量分数的提高可以强化纳米流体的对流换热效果,但同时也增大了纳米流体的流动阻力,导致纳米流体压降的增大;另外,纳米流体在分形微通道中的系统热阻均小于去离子水。TiO_2与Al_2O_3两种纳米流体在分形微通道中的强化传热因子均大于1,两者的强化换热效果显著;强化传热因子随着雷诺数和浓度的增大而增大;随着粒子浓度的增加,强化换热因子增幅明显。纳米流体在分形微通道热沉的研究结果对于设计新型高效散热器具有重要的意义。
【图文】：

图 1-1 平行微通道热沉结构示意图ar[8]实验研究了水在宽度 0.231 mm，深度 0.713 mm特性；并假定流体为不可压缩流体且在微通道内换模拟。结果发现，实验测得压降和温度与模拟结果吻热特性具有影响，微通道底面温度沿流体流动方向呈对去离子水在矩形微通道单相流动的传热特性进行三30 W·cm-2，并采用铜基微通道进行实验验证，结果表换热系数随热流密度的增加而增大，另外还提出单相值研究工质在微通道内流动传热特性，并分析壁面的流扰动可以大幅增强微通道内流体的对流换热能力。[11]对矩形、椭圆形和等腰三角形截面微通道热沉进行水力直径对压降和峰值温度的影响。结果发现矩形和而等腰三角形微通道的性能相对较弱。计了铜基内凹形微通道热沉用以解决大功率 LED 阵

自然界中有许多分形物体，，如曲折连绵的海岸线、漂浮的云朵、树的叶脉、人的血管等，这些属于无规分形。而 Koch 曲线、Sierpinski 三角形、Julia 集等由严格自相似法则所构建的数学模型称为规则分形（如图 1-2 所示）。
【学位授予单位】：东北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK124

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本文编号：2631100