微管道换热器内微流体的流动与换热

摘要

微管道换热器以其换热性能卓越、结构紧凑等优点成为小体积高功率电子器件首选的新型散热方式.该文结合硅加工的多路感应耦合等离子体蚀刻工艺,设计并加工了硅制微管道换热器内微流体的流动与换热实验装置,完成了微管道换热器内单相去离子水的湍流对流换热和CFC-141b的流动沸腾换热实验.分析表明水力直径为100μm左右的微管道内单相液体流动仍满足连续介质假设,引入粗糙度粘性系数,建立了微管道内单相液体湍流对流换热模型,并采用3维有限容积法(FVM)进行了数值计算,将计算结果与实验结果进行了对比.利用有限元法(FEM)解决了热负荷任意分布条件下微管道换热器的换热特性分析的困难;提出并程序实现了一种新的FEM与FVM耦合求解算法,从而获得任意热负荷边界下微管道内湍流对流换热的速度场与温度场,并给出了工程应用实例.考虑微管道表面粗糙度对流动沸腾的影响及界面区域液滴夹带和沉积效应,以双流体模型为基础,建立了微管道内流动沸腾环状流模型,并进行了数值求解,并对数值模拟结果进行了分析.采用分子动力学模拟方法,首次对CFC-141b在恒定热负荷下流动沸腾过程中壁面附近的气泡形成、气液相界面区表面张力等进行了模拟,结果显示:分子动力学模拟方法可作为研究微管道换热器内流动沸腾微观现象的有效途径.提出了平行阵列微管道内流动沸腾不稳定性分析模型,采用多变量系统频域分析法中的Nyquist稳定性定理判定平行阵列型微管道换热器流动沸腾的稳定性,利用4组相同的微管道阵列并联完成了平行阵列微管道流动沸腾不稳定性实验;分析模型计算结果与实验结果对比显示:分析模型可定性地分析平行阵列型微管道换热器内流动沸腾地稳定性,对微管道换热器的设计和应用具有指导意义.将微管道换热器抽象成多孔介质模型,利用多孔介质双方程模型导出了微管道换热器系统总热阻计算式;以降低系统总热阻为目标,给出了矩形截面微管道换热器高宽比、肋宽等参数的优化方法.设计并加工了壁面集成微热管、壁面增加凹凸粗糙元、平行折线型等4种平行阵列型微管道换热器的强化传热结构;分析与实验结果显示:4种强化传热结构的总热阻均比强化前显著降低.首次提出并加工出了树状分形结构微管道网络换热器和仿蜂巢结构微管道网络换热器;分别对2种硅制分形结构微管道网络换热器的流动与换热特性进行分析,并与平行阵列型微管道换热器进行了对比.结果表明:两种分形网络微管道换热器均比平行阵列微管道换热器具有更高的换热能力,且只需较小的泵送功率.

目录

文摘

英文文摘

符号表

1绪论

1.1研究背景与选题意义

1.2前人研究工作综述

1.3本文主要工作

2实验用硅制微管道换热器装置的设计与加工

2.1微管道换热器流动与换热实验装置的设计

2.2硅制微管道换热器的加工与测量

2.3复合硅酸盐耐高温材料的配制及换热器绝热底座的加工

2.4本章小结

3微管道内微流体的湍流对流换热实验与分析

3.1引言

3.2湍流对流换热实验用微管道换热器的结构参数

3.3微管道换热器内湍流对流换热实验参数测量及数据采集

3.4硅制微管道换热器内湍流对流换热实验流路布置

3.5微管道换热器内湍流对流换热实验过程

3.6实验数据处理

3.7实验结果分析

3.8本章小结

4微管道内单相液体湍流对流换热模型与数值模拟

4.1 引言

4.2矩形截面微管道内单相液态工质的湍流流动与换热模型

4.3矩形截面微管道内单相液态工质的湍流对流换热数值模拟

4.4数值模拟结果与实验数据的对比分析

4.5本章小结

5热负荷非均匀分布下微管道换热器内的湍流流动与换热

5.1引言

5.2微管道换热器换热特性的FEM分析

5.3非均匀热流边界湍流对流换热特性的FEM与FVM耦合求解

5.4本章小结

6微管道内微流体的流动沸腾换热实验与分析

6.1引言

6.2微管道换热器内流动沸腾实验的工质选择

6.3微管道换热器流动沸腾换热实验系统布置

6.4微管道换热器内流动沸腾实验过程

6.5微管道换热器内流动沸腾实验结果分析

6.6本章小结

7微管道内微流体流动沸腾换热模型与数值模拟

7.1引言

7.2微管道流动沸腾换热环状流模型

7.3微管道内流动沸腾换热环状流模型的数值求解

7.4微管道内流动沸腾换热环状流模型数值计算结果分析

7.5本章小结

8微管道内微流体流动沸腾的分子动力学模拟

8.1引言

8.2微管道内微流体流动沸腾MD模拟方法

8.3微管道内CFC-141b流动沸腾MD模拟的实施

8.4微管道壁面附近相变现象的MD模拟

8.5微管道流动沸腾气液界面特性的MD模拟

8.6本章小结

9平行阵列型微管道换热器内流动沸腾不稳定性分析

9.1引言

9.2平行阵列微管道换热器内流动沸腾不稳定性理论分析模型

9.3平行微管道换热器流动沸腾不稳定性实验

9.4计算与实验结果分析

9.5本章小结

10平行阵列型微管道换热器参数优化与强化传热结构设计

10.1引言

10.2平行阵列型直微管道换热器几何参数优化

10.3平行阵列微管道换热器强化传热结构设计

10.4本章小结

11分形微管道网络换热器结构设计与换热性能

11.1引言

11.2分形结构微管道网络换热器的设计与制造

11.3树状分形微管道网络换热器内微流体的流动与换热

11.4仿蜂巢结构分形微管道网络换热器内微流体的流动与换热

11.5本章小结与展望

12结论与展望

12.1本文主要结论

12.2未来研究工作展望

致谢

参考文献

附录

A实验数据不确定性分析

B掩模板设计图及程序框图

B1掩模板设计图

B2 SIMPER算法程序框图

B3 FEM与FVM耦合算法框图

B4微管道内流动沸腾分子动力学模拟程序框图

C 微管道换热器流动与换热实验数据

C1微管道内单相去离子水湍流对流换热实验数据

C2微管道内CFC-141b流动沸腾换热实验数据

D实验、加工照片

E论文相关的加工、实验证明

F攻博期间发表学术论文清单、收录证明及获奖情况