基于粘弹性流体的微型换热器强化传热机理研究

摘要

微型换热器是一种超紧凑式换热器,它具有体积小、单位体积传热面积大的特点,广泛应用于航空航天、医疗、微电子、材料科学、高温超导体的冷却、化学生物工程、强激光镜的冷却、薄膜沉积中的热控制,以及其他一些对传热设备的尺寸和重量有特殊要求的场合。最常见的一种微型换热器是微通道换热器,其流动通道一般是在很薄的硅片、金属或其他材料的薄片上加工而成。已有研究表明,在宏观条件下,选用粘弹性流体作为换热器的传热介质具有显著的传热强化效果。将粘弹性流体与微通道换热器技术有机结合,有望成功研制出一种强化传热性能更强的新型微通道高效强化传热技术。因此,本文将通过数值模拟方法研究粘弹性流体在微通道内的流动和传热过程。通过与纯粘性流体传热效果的对比,研究粘弹性流体的传热强化效果。并基于流变学理论,通过粘弹性流体二次流动的特性,解释微通道内粘弹性流体传热强化机理。此外,本文通过数值模拟的手段研究了粘弹性流体与脉动流动的耦合强化传热过程,探讨过程参数对脉动流动强化传热过程的影响规律和机理。本文主要取得以下成果:
　　 (1)基于合理的简化、假设以及边界条件建立了描述粘弹性流体在微通道内流动与传热过程的全三维理论模型。
　　 (2)研究表明,本文所研制的新型微通道高效强化传热换热器可使现有普通微通道换热器的强化传热效果提高400％以上。随着传热介质流体流速的增大,新型微通道高效强化传热换热器相对于普通微通道换热器的强化效果越来越明显,因此增加传热介质流体流速可以提高其传热强化效果。本文所研制的新型微通道高效强化传热换热器具有较强的强化传热效果的根本原因是其传热介质即粘弹性流体在流动和传热过程中具有较强的二次流动强度。
　　 (3)研究表明,微通道内粘弹性流体脉动流动的体积流量加权平均出口温度均高于微通道内粘弹性流体稳态时的出口温度,即脉动流动能够使得粘弹性流体的传热效果得到进一步强化。且脉动流动对微通道内的粘弹性流体的传热过程的影响效果取决于脉动流动的频率和振幅,随着频率和振幅增加,粘弹性流体的传热效果增强。此外,在相同的流阻特性,传热特性参数以及脉动流频率和振幅的条件下,微通道内粘弹性流体与脉动流动耦合强化传热的效果要好于纯粘性流体与脉动流动耦合强化传热效果,且粘弹性流体与脉动流动耦合强化传热效果相对于纯粘性流体与脉动流动耦合传热效果的增幅随着频率和振幅的增大而增大。