微尺度受热表面自然对流传热数值模拟

摘要

随着微电子机械设备的发展和进步,微尺度下自然对流传热研究的重要性也随之显现出来。同时,纳米流体作为一种新型传热工质,其特殊的流动与传热特性使其在能源、化工、电子等众多领域具有诱人的应用前景。纳米流体在微尺度下的自然对流研究也成为当前传热学等学科研究的热点。
　　 本研究使用商用CFD商用软件FLUENT分别模拟了20、40、60、80、100微米直径的加热丝在大空间的自然对流情况,得出其速度、温度的分布与边界条件的设置有关,此外还跟加热丝直径有关,即表现出一定的尺度效应。随后整理的Nu值趋于一致,说明随着尺度的减小,流体在加热丝近壁区出现纯导热现象。使用20微米加热丝模拟了其在受限空间内自然对流传热情况,发现负方向(即受限空间部分)速度变化急剧,y正方向(相当于无限大空间)速度变化缓慢与大空间自然对流情况相同,同时也可以从Nu值看出,受限空间内换热也有所加强。本文还分别采用单相流和两相流模型进行了纳米流体的数值模拟,并将结果和常规介质进行比较。分析表明,对于FLUENT中的单相流模型设置仅仅是改变了介质的物性,故其相对于常规介质而言速度、温度的提高并不是很明显;但当采用两相流设置方法时,速度、温度相对于常规介质和采用单相流的设置方法都有很大的提高,原因是因为两相流设置将固体颗粒和液体分开设置,颗粒与液体分子间相互作用予以考虑,出现与常规介质流动和换热不同的模拟结果。
　　 本研究讨论了常规介质和纳米流体在微尺度下自然对流传热,预计对器件等的微型化以及纳米流体的实际应用具有一定的理论指导意义。同时由于数值模拟的局限性,有关结果将采用实验的方法进行相关验证。