微肋阵流动与强化传热研究

发布时间：2017-08-18 10:04

  本文关键词：微肋阵流动与强化传热研究

  更多相关文章： 微肋阵 流动阻力 对流换热 疏水性 强化换热

【摘要】：近年来,飞速发展的电子科技行业给社会及日常生活带来日新月异变革的同时,呈级数倍增长的芯片集成度和功率也对集成电子的散热问题提出了更高的要求,为了保证大功率高集成度电子元器件的正常运行,微小空间高效散热已经成为传热领域的热点问题,其中微肋阵结构由于面体比大、换热效率高而受到越来越多的关注。本文针对微肋阵结构,提出并设计了一体化微肋阵流动与换热通道,在搭建的微肋阵流动与换热实验平台上,实验研究了不同截面形状微肋阵内的单相流动与传热,通过与平直微通道内微肋阵流动与换热的对比,明确了微肋阵结构对于单相对流传热具有较好的强化效果,相同水力直径微肋阵在相同雷诺数(Reynolds number, Re)下的努赛尔数(Nusselt number, Nu)比平直矩形微通道高200%以上。通过对不同截面形状微肋阵内的流动与传热的研究,发现由于受端壁面效应影响,低流量下不同截面形状微肋阵内压力降之间的差别较小,该差别随着流量的增加而逐渐增大。在本文的实验测试工况范围内,轴向导热对于微肋阵内对流换热的影响基本可以忽略不计。当Re较低时,各加热功率下不同截面形状微肋阵内Nu都相差不大；随着Re的增加,微肋阵内的端壁面效应减弱,不同形状微肋阵内的对流换热Nu之间的偏差变得逐渐明显。加热功率是影响微肋阵对流换热性能的关键参数之一,随着加热功率的增大,不同形状微肋阵在相同流量下的压力降增大,且不同加热功率下压力降的变化率随流量的增加而减小；各形状微肋阵内流动阻力系数均随加热功率的增加而有所增大,低Re数下最大增幅均高于110%。受尾流区流动转捩的影响,当Re400后加热功率不再对圆形和菱形截面微肋阵内流动阻力系数产生影响,而对三角形微肋阵而言,该现象出现于Re250。同时,加热功率的增加强化了圆形和菱形微肋阵内的对流换热,其内部平均Nu随加热功率的增加而增大的最大增幅均高于50%。当Re250时三角形微肋阵内Nu随加热功率的增加有所增大,当Re250时则出现相反现象。3种形状微肋阵热阻随加热功率的增加而明显减小,对于圆形及菱形截面微肋阵,当Re600后加热功率对于热阻的影响基本可以忽略,而对于三角形微肋阵,可忽略加热功率影响的关键Re则为250。针对微肋阵流动阻力损失较大的瓶颈问题,本文通过在微肋阵流动表面上涂覆不同含量纳米粒子涂层的方法,获得了具有不同表面接触角的疏水性微肋阵,并研究了表面疏水性对于微肋阵内流动阻力和传热的影响规律。通过对比疏水性微肋阵与普通微肋阵的流动规律,发现表面疏水性处理能够显著降低流动阻力,同时推迟流动分离和尾流区转捩,因此疏水性处理对于分离较早、压差阻力较大的微肋阵具有更加明显的减阻效果。相同Re下,微肋阵内阻力系数变化率随接触角的增加而逐渐增大；同一接触角下,椭圆形微肋阵内阻力系数变化率随Re的增大而逐渐减小,菱形和圆形则先减小后保持常数；当接触角为151.5。时菱形和圆形微肋阵内最小阻力系数变化率分别为50.81%和58.68%。当接触角较小时,低Re下椭圆形微肋阵内阻力系数变化率要高于菱形和圆形微肋阵,当Re600时前者要低于后两者；随着接触角的增大,圆形微肋阵内阻力系数变化率要明显高于菱形和椭圆形微肋阵,菱形和椭圆形微肋阵在低Re下较为接近,在高Re下前者的阻力系数变化率要高于后者。表面疏水性处理使微肋阵内流动阻力大幅度降低的同时,也对传热产生了较大影响。由于疏水性涂层的导热系数要低于紫铜基微肋阵,由此带来的热阻使得疏水性微肋阵内对流换热Nu有所降低,尤其是在较高Re数下,疏水性微肋阵内的Nu明显低于无疏水性涂层微肋阵。为了定量评估疏水性处理对于微肋阵结构流动和传热的综合影响,本文对不同接触角微肋阵内的能效特性进行了估算,发现Re较低时疏水性微肋阵内的综合强化传热效果较为明显,然而随着Re的增加,该综合强化传热效果有所下降,当Re400时只有接触角为119.5。和151.50的疏水性微肋阵内的综合传热效果得到了明显强化。本文建立了矩形通道内单个微圆柱及微肋阵的流固耦合流动与传热数学模型,通过数值模拟方法考察了热流密度、微圆柱直径、宽高比、体比等因素对单个微圆柱及微肋阵内的流动分离特性的影响。对于单个微圆柱,流动分离角和分离长度均随热流密度的增加而增大,且回流长度沿微圆柱轴向呈非对称分布,这一点显著区别于加热状态下的常规尺度圆柱绕流。另外,靠近加热壁面附近区域截面上的回流长度随着宽高比和体比的增加而逐渐增大,且明显大于远离加热壁面区域的回流长度；同时,相同截面上的回流长度和分离角随着宽高比和体比的增加而逐渐增加。对于微肋阵,肋片尾流区的分离角和回流长度与肋片所处位置有关,同一排微肋片绕流的分离角沿流动方向逐渐减小,同一微圆柱的绕流分离角随Re数的增加而增大；微肋片绕流的回流长度主要由肋片间距决定。通过对不同排布和肋片间距、肋高、水力直径的微肋阵内流场和温度场的数值模拟发现,减小微肋片水力直径、肋片间距或增加肋高可以强化微肋阵内的对流换热,而微肋阵沿流动方向的列数的增加则使得对流换热系数略有减小。基于数值模拟结果获得了新的阻力系数及Nu关联式,能够对微肋阵内部流动特性进行有效估算。通过模拟不同加热功率下微肋阵内流场与温度场发现,加热功率的增大及其导致的流体热物性变化使边界层厚度的降低幅度达30%以上,因此明显削弱了端壁面效应,强化了微肋阵内的对流换热,使Nu值增大20%以上。加热功率的增加会弱化端壁面效应对微肋阵内对流换热的影响,因此尽管微肋阵内的对流换热Nu均随加热功率增大而增加,但是不同肋高微肋阵内对流换热Nu数之间的差距随加热功率的增加有所降低。工质动力粘度对于微肋阵内对流换热的影响要远高于其他热物性参数,本文研究范围内其对Nu数的影响因子高达20%以上。
【关键词】：微肋阵 流动阻力 对流换热 疏水性 强化换热
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK124
【目录】：

• 摘要12-15
• ABSTRACT15-20
• 主要符号表20-23
• 第1章 绪论23-41
• 1.1 研究背景23-25
• 1.2 微小通道内单相流动与传热25-29
• 1.2.1 流动研究现状26-27
• 1.2.2 对流换热研究现状27-29
• 1.3 微肋阵单相流动与换热29-37
• 1.3.1 不同形状微肋阵流动与换热研究现状30-33
• 1.3.2 几何结构对微肋阵流动与换热影响研究现状33-36
• 1.3.3 流体工质对微肋阵流动与换热影响研究现状36-37
• 1.4 疏水性微通道内流动与换热37-39
• 1.5 本课题研究内容及论文结构39-41
• 第2章 微肋阵内对流换热特性实验研究41-65
• 2.1 引言41-42
• 2.2 微肋阵实验段42-44
• 2.3 对流换热实验系统44-50
• 2.3.1 实验系统及测试流程44-46
• 2.3.2 数据处理46-48
• 2.3.3 误差分析48-50
• 2.4 微肋阵与平直矩形微通道内对流换热对比50-51
• 2.5 不同截面形状微肋阵内对流换热51-58
• 2.5.1 不同截面形状微肋阵内流动阻力51-56
• 2.5.2 不同截面形状微肋阵内对流换热56-58
• 2.6 变加热功率下微肋阵内对流换热58-63
• 2.6.1 变加热功率下微肋阵内流动阻力58-61
• 2.6.2 变加热功率下微肋阵内对流换热61-63
• 2.7 本章小结63-65
• 第3章 疏水性微肋阵对流换热实验研究65-95
• 3.1 引言65
• 3.2 实验段制备65-68
• 3.2.1 制备流程65-66
• 3.2.2 表面测试66-68
• 3.3 疏水性微肋阵内流动及换热测试68-71
• 3.4 表面疏水性对微肋阵内流动阻力影响71-85
• 3.4.1 截面形状对疏水性微肋阵内减阻特性的影响72-78
• 3.4.2 接触角对微肋阵内减阻特性的影响78-85
• 3.5 表面疏水性对微肋阵内对流换热影响85-92
• 3.6 本章小结92-95
• 第4章 微肋阵内流动与换热数值模拟95-130
• 4.1 引言95
• 4.2 单圆柱及微肋阵内稳态对流换热的流动分离数值模拟95-106
• 4.2.1 物理模型及网格95-96
• 4.2.2 控制方程及边界条件96-98
• 4.2.3 计算方法验证98-100
• 4.2.4 不同水力直径微圆柱稳态绕流模拟100-102
• 4.2.5 不同宽高比微圆柱稳态绕流模拟102-103
• 4.2.6 不同体比微圆柱稳态绕流模拟103-105
• 4.2.7 3×3微肋阵内稳态绕流模拟105-106
• 4.3 微肋阵内对流换热数值模拟106-118
• 4.3.1 物理模型及计算模型106-108
• 4.3.2 不同排布微肋阵内的流场和温度场108-115
• 4.3.3 不同几何参数微肋阵内的对流换热115-117
• 4.3.4 数值模拟结果与实验值的对比117-118
• 4.4 工质热物性对微肋阵内对流换热的影响118-127
• 4.4.1 物理模型及计算模型119-120
• 4.4.2 与实验值的对比及分析120-127
• 4.5 本章小结127-130
• 第5章 总结与展望130-137
• 5.1 全文总结130-134
• 5.2 本文创新点134-135
• 5.3 工作展望135-137
• 参考文献137-161
• 攻读博士学位期间发表的主要成果161-163
• 致谢163-164
• 学位论文评阅及答辩情况表164

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