微通道中流体流动与传热特性的研究

摘要

微通道中的流动和传热对于传热学科和集成电路芯片冷却技术的发展具有重要的学术价值和工程应用前景。 本文对流体在矩形微通道中的流动和传热展开实验和理论研究，研制了一套微通道中流动和传热的实验系统。实验段采用可替换的并行矩形微通道结构，加热段放置在微通道的底部，微通道的当量直径为0.49、1.07mm，长度为80mm，该长度远远超过文献中其他实验通道长度，使流体达到了充分发展。在实验中，Re数的范围在500-6000之间，加热的热流密度在6.25×10<'4>W/m<'2>9×10<'3>W/m<'2>之间。 冷态实验条件进行了流动特性实验下。实验结果表明，当量直径为0.49mm的微通道(通道＃1)中的摩擦阻力系数比常规尺度中的小，临界雷诺数为1000；当量直径为1.07mm的微通道(通道＃2)中的摩擦阻力系数接近于常规尺度的阻力系数；在热态实验条件下，通道＃1中的摩擦阻力系数增大，接近于常规尺度的系数，临界雷诺数从1000增至1500，通道＃2的摩擦阻力系数基本保持不变，临界雷诺数在700-1200之间。 在冷态实验的基础上，进一步进行了微通道的对流换热实验，采用电加热的方法，热量从试验片底部向上传导，一部分热量传至微通道的底面和侧面，经由流体的对流换热，从微通道中排出，一部分热量传至玻璃盖板，其中一小部分经由自然对流换热，排至外界环境中。流体、试验片和玻璃盖板的温度在流动方向上逐渐增大，通道＃1和通道＃2的平均Nu数均比常规尺度下管道的充分发展段Nu数小，经分析认为这种现象是由加热方式的不同造成的。 运用FLUENT软件对微通道中的流动和传热还进行了数值模拟，以检验常规理论模型对微通道中的流动和传热的适用性。 在数值模拟中先后采用常规尺度下的层流模型和标准K-ε骥型与增强壁面函数模型的混合模型对微通道内的流动和传热进行了数值模拟。经过模拟，发现不论是层流模型还是标准K-ε型与增强壁面函数模型的混合模型都不能准确地模拟微通道中的流动现象，其机理尚需进一步研究。对于传热特性，标准K-ε型与增强壁面函数模型的混合模型可以对微通道内的对流换热进行较准确的模拟，实验数据和数值模拟数据之间的误差很小，在±3﹪以内。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号表

第一章绪论

1.1课题背景以及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1单相流体流动与传热

1.2.2单相流体发生相变时的流动与传热

1.2.3功能热流体流动与传热

1.2.4总结

1.3本文研究内容及目标

第二章实验系统和实验方法

2.1实验系统

2.2实验段

2.3参数测量与误差分析

2.4实验方法

第三章单相流体流动性能的实验研究

3.1数据处理

3.1.1雷诺数

3.1.2摩擦阻力系数

3.2实验结果与分析

3.3本章小结

第四章单相流体传热特性的实验研究

4.1数据处理

4.2实验结果与分析

4.2.1加热功率的影响

4.2.2雷诺数的影响

4.2.3尺寸结构的影响

4.2.4热边界层的影响

4.2.5微通道中的平均Nu数

4.3本章小结

第五章单相流动与传热的数值模拟研究

5.1常规尺度通道中流体的理论模型

5.1.1流动问题的描述

5.1.2层流流动

5.1.3湍流流动

5.2数值求解

5.3结果与讨论

5.3.1流动特性

5.3.2传热特性

5.4本章小结

第六章结论与展望

致谢

参考文献

作者简介