燕尾形轴向槽道热管传热性能研究

摘要

微通道中的流动和换热是MEMS、生物医学、微电子元器件冷却、芯片实验室和纳型空天飞行器热控制系统等领域中的关键热物理过程。随通道尺度的缩小，通道壁面面积对通道体积的比值急剧增大，这使得通道表面的粗糙状况对微通道内流动和换热过程的影响也愈加突出。目前，该方向的研究已成为微尺度传热传质领域中的一个重要研究课题，具有着重要的应用前景和学术价值。
　　 本文对实际粗糙表面轮廓曲线进行了分形分析，得到了结构函数及分形维数，计算发现实际粗糙表面表现出了良好的分形特征；自仿射分形维数直接反映了粗糙表面轮廓的不规则度；对于两个具有相同统计粗糙度的轮廓，可能存在不同的分形维数。并在此基础上，引入Cantor集分形几何，将之应用于微通道自仿射粗糙表面的定量描述，实现了实际粗糙表面的模型重构。
　　 同时，本文基于微通道粗糙表面轮廓的定量描述，建立了粗糙微通道内层流流动和换热的理论模型并进行了数值模拟，研究了粗糙表面分形维数、相对粗糙度和雷诺数对粗糙微通道内单相流动和换热的影响。研究结果表明：流体流过粗糙单元产生的回流和分离现象直接影响了粗糙微通道内的沿程压降分布，导致了流动压降的增加，同时，粗糙单元的存在也使得热边界层的重新生成进而有效地强化了对流换热；与光滑通道相比，入口段之后粗糙通道的沿程压降由于漩涡的影响不再是线性增加，而呈波动式增加，并且粗糙微通道内沿程局部努谢尔数也不再如光滑通道中那样趋于—稳定值而转呈交替波动式变化；再者，粗糙微通道中层流流动的Poiseuille数和平均Nusselt数皆不再是常数，而是关于雷诺数、相对粗糙度和分形维数的函数。