嵌有纵向涡流产生器的矩形微流道流动及传热特性的实验与模拟研究

摘要

随着微机电系统（MEMS）在微电子技术、生医技术及航天航空领域的飞速发展，针对微热沉、微型生物芯片、微型反应器及微型燃料电池的应用研究正受到越来越多的关注。微机电系统的出现及成功应用为人类的科技发展提供了新的突破口。为保证微机电系统的可靠运行，其有效散热已成为当今微机电系统研究领域的热门话题。值得指出的，微流道被认为是一种能在相对较小的几何面积下，带走大量热量的有效散热单元。另一方面，在宏观传热问题中，被动强化传热技术在工业中的应用已相当成熟，其中用于产生二次流的涡流产生器被证明在强化传热方面是非常有效的。
　　本文在前期工作的基础上，通过实验及模拟方法分析了去离子水流过嵌有纵向涡流产生器的矩形微流道内的传热及流动特性。实验在三面等壁温的边界条件下进行，实验雷诺数范围为350-1500，纵向涡流产生器的对数及几何参数均有不同。矩形微流道的深宽比分别为0.25和0.0667，对应的水力直径分别为160μm与187.5μm。纵向涡流产生器的高度分别为1/4H、3/4H、H，其中H表示矩形微流道的高度。
　　通过实验，发现对于深宽比为0.25及0.0667的微流道，其传热特性分别提高12.3-73.8％和3.4-45.4％；于此同时，压力损失分别提高40.3-158.6％与6.5-47.7％；一些微流道的综合传热特性φNu/φf大于1；借助于纵向涡流产生器的帮助，临界雷诺数小于1000，远小于宏观值2300；微流道传热及阻力特性受深宽比的影响非常大。
　　通过模拟分析，将实验中无法观察的速度场、压力场、温度场可视化。从模拟结果发现，纵向涡流产生器尾部区域有很明显的纵向涡，破坏边界层、卷吸外围流体，并向下游发展，可大幅度强化整体传热。另外，对应不同的质量流率及不同的高度方向截面，纵向涡的强度及模式不同。

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1绪 论

1.1研究意义

1.2国内外研究进展

1.3 本文研究内容

2实验研究

2.1 试片设计

2.2 实验设计

2.3 数据处理及计算

2.4 误差分析

2.5 本章小结

3实验结果及讨论

3.1 光滑矩形微流道G2的实验结果验证

3.2 矩形微流道的传热特性

3.3 矩形微流道的阻力特性

3.4 矩形微流道的综合传热性能

3.5 本章小结

4数值模拟研究

4.1 数值计算控制方程

4.2 数值方法

4.3 数值计算过程

4.4 CFD-ACE+简介

4.5 本章小结

5数值模拟结果及讨论

5.1 模型建立及网格划分

5.2 边界条件及其他设置

5.3 网格无关性验证

5.4 结果及讨论

6 总结及展望

致谢

参考文献