微通道换热器强化换热数值模拟

发布时间：2020-04-20 03:50

【摘要】：随着半导体技术,微电子机械技术(缩写MEMS)等设备的快速发展,出现了大规模乃至是超大规模的集成设备,设备的集成程度越高,单位面积上的发热量越大,严重影响了设备的工作性能以及工作寿命,越来越不能满足现代设备冷却散热的要求,因此产生了微通道换热器这一换热设备,为了使微通道换热器换热效率得到有效的强化,从微通道的几何结构和内部流动换热介质两方面入手,采用Fluent数值模拟研究方法研究不同流动介质(水和不同体积浓度的水基加三氧化二铝颗粒的纳米流体)在微通道内的流动阻力和换热特性。首先,选取单根不同截面微通道内流体层流状态下的流动与换热情况进行研究,对当量直径为0.1~0.4 mm,长度为40 mm,截面形状为正方形、梯形、正三角形共12种单微通道进行数值模拟研究,研究当量直径、截面外形等几何参数等对流动工质(水)在微通道内的流动与换热特性的影响,得出努谢尔数Nu、摩擦阻力系数f、压降Δp等随雷诺数Re变化特性曲线,最后得到流动阻力较小、换热能力较强、泵功较小的单个微通道模型:当量直径为0.4 mm的正方形截面类型的微通道。其次,为了更加全面分析微通道工作情况,将已得到的最佳结构和长度的单个微通道为基础,数值模拟研究微通道换热器模型内流体的流动与换热现象,在换热器结构参数基本尺寸(8 mm×800μm×40 mm)一定的条件下通过改变相邻微通道间的间距(选用三种间距:0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm),得到最佳的微通道结构模型:相邻微通道间隔Δd为0.4 mm的微通道换热器;在泵功允许的范围内,微通道换热器内流体工质的平均流速越大换热效果越强。最后,在微通道换热器研究的基础上,选取单个正方形截面微通道,其壁面厚度为0.2 mm,当量直径为0.4 mm,长为40 mm,研究其内部流动工质(0%、0.1%、0.5%、1%的氧化铝纳米流体)的层流流动与传热特性,并得出如下结论:与纯水相比,水基氧化铝纳米流体可以使得微通道的换热本领加强,且换热效果随着体积分数的增长而加强;且氧化铝纳米流体的加入并不会导致微通道内流动摩擦阻力系数的过大增加。最后拟合出正方形截面微通道的Nu以及摩擦阻力系数f与各无量纲参数间的传热和流动关系式。
【图文】：

示意图,微通道,网格划分,正三角形

所得出口平均流速相对误差为 0.965 %，可认为模拟结果对网格的依赖大，即可认为通过了检验，其它两种截面类型的网格独立性检验原理同上。表 2-5 三种网格划分结果对比表网格数/个出口平均流速/(m·s-1) 相对误差/%12× 12× 800=115 200 0.924 40.96512× 12× 1000=144 000 0.943 8当量直径为 0.4 mm 的正三角形截面微通道与梯形截面微通道网格划分情如图 2-3、2-4 所示，其网格数均为 115 200 个；用结构化网格进行网格划分，用指定在边界上分点时所用的间隔数为划分网格时的控制变量（Intervalount），以“Element：Hex/Wedge”和“Type：Cooper”的网格划分方式，采用 Interval size 为 1 划分体网格。当量直径为 0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm 的格划分情况同理。

示意图,微通道,梯形截面,网格划分

图 2-4 梯形截面微通道部分网格划分和局部放大示意图2 数值模拟过程将建立的单个当量直径为 0.1~0.4 mm，长度均为 40 mm 的正方形截面微通梯形截面微通道、正三角形形截面微通道的 12 种模型分别导入 Fluent 进维数值模拟计算，微通道入口流速均为 1~6 m/s，微通道内部流动工质均为流动工质的入口温度均设为 293 K，微通道底部加以均匀恒定热流6q =10-2，选择分离式求解器，出口设为自由出流 outflow，进口设为速度进口 inlet，面均设为绝热；由于目前微尺度理论没有给出转`防着凳淖既贩段В鎒数在 100~2 300 时为层流模型[60],控制方程采用一阶迎风格式，无滑移壁将 SIMPLE 算法作为压力与速度耦合的算法，流体介质去离子水在求解过为常物性参数，，求解残差精度为610 。数值模拟结果分析
【学位授予单位】：石家庄铁道大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK172

【参考文献】