（工程热物理专业论文）微通道内单相液体流动与传热特性研究.pdf

中文摘要 摘要：随着目前电子芯片的集成度越来越高，传统的散热方式已经逐渐开始无法 适应小空间和高热流密度下的散热需求，微通道散热作为一种新型高效的散热方 式，目前在国际上具有很高的关注度。 本文利用商业软件a n s y s c f x 用数值模拟的方法，系统地研究了不同截面尺 寸、不同加热功率和不同的入口r e 下微通道中液体单相流动和换热特性，热入口 段中温度边界层较薄，因而对流换热强度较高，对于微通道中液体流动的入口段 分析对于后面微通道的设计具有十分重要的意义。文中重点分析了不同的宽高比、 入口r e 和加热功率下的流动及热入口段的当量长度。 根据对2 0 0 m 掌7 0 0 p m 、2 0 0 肛1 木5 0 0 m 和2 0 0 1 u n * 2 0 0 p m 的矩形截面长直微通 道中水的流动及热入口段的分析，设计了由这三种微通道结构组成的组合型微通 道，通道宽度逐级缩小，一方面由于在通道联接处采用通道错位布置的方式，能 够使得流体在经过每个通道联接处时破坏边界层，使流动重新发展，充分利用入 口效应有效地增大对流换热系数，同时由于沿流动方向上对流换热面积也在逐级 增大，因而能有效地改善通道底面上沿流动方向的温度分布不均现象；另一方面 虽然由于错位以及流动的入口段所占比例增大会使流动的压降增大，但是由于通 道中有较大当量直径的通道，因此系统整体的压降相对较小。 设计并搭建了实验台，对三种矩形长直微通道和组合型微通道的流动和传热特 性进行了实验研究，分析了入口r e 数，加热功率对压降、摩擦阻力系数、对流换 热系数、n u 数和固体壁面温度的影响。发现在相同的入口r e 数和加热功率下， 组合型微通道的换热系数略低于2 0 0 p m * 2 0 0 1 a m 的矩形长直微通道，但是压降却远 远低于长直通道。 关键词：微通道；单相；入口段；流动换热；组合型 分类号：t k l 2 4 j 匕塞交适塞堂亟堂僮论塞旦s ! b g ! a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi c ，i t sv e r yh a r df o rt h et r a d i t i o n a lc o o l i n g t e c h n o l o g yt oc o o ld o w nt h ee l e m e n tw i mh i g hh e a tf l u xd e n s i t yi nn a r r o ws p a c e a sa n e wc o o l i n gt e c h n o l o g y , h e a tt r a n s f e ri nm i c r o c h a n n e l s g e t s m o r ei n t e r n a t i o n a l a t t e n t i o n a n s y s c f xi su s e dt os i m u l a t et h es i n g l e - p h a s el i q u i df l o wa n dh e a tt r a n s f e ri n m i c r o c h a n n e l sw i t hd i f f e r e n ta s p e c tr a t i oi nt h ec o n d i t i o no fs a n l er e i na n dh e a tf l u x b e c a u s et h et h e r m a lb o u n d a r yl a y e ri sv e r yt h i ni nt h et h e r m a le n t r a n c er e g i o n t h eh e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n ti sv e r yh i g hi nt h i sr e g i o n s ot h ei n v e s t i g a t i o no fe n t r a n c er e g i o ni s s i g n i f i c a n t t h el e n g t ho ff l o wa n dt h e r m a le n t r a n c er e g i o ni si n v e s t i g a t e di nd i f f e r e n t c o n d i t i o n si nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h er e s u l to fe n t r a n c er e g i o no f2 0 0 p m 誊7 0 0 1 m a ，2 0 0 9 m 宰5 0 0 9 ma n d 2 0 0 9 m * 2 0 0 9 mr e c t a n g u l a rm i c r o c h a n n e l s ，a n e ws t r u c t u r em i c r o c h a n n e lw h i c h c o m b i n e st h r e er e c t a n g u l a rm i c r o c h a n n e l si sd e s i g n e d s t a g g e r e dm i c r o c h a n n e l sd e s t r o y t h et h e r m a lb o u n d a r yl a y e ra n dt h eh e a tt r a n s f e ra r e ai n c r e a s ea l o n gt h ef l o wd i r e c t i o n s ot h eh e a tt r a n s f e ri se n h a n c e da n dt h et e m p e r a t u r eo nt h eh e a t i n gs u r f a c ei sm o r e u n i f o r m a l t h o u g ht h ep r e s s u r ed r o pi sl a r g e ri nf l o we n t r a n c er e g i o nw h i c h i sl o n g e ri n t h i sc o m b i n e dm i c r o c h a n n e l ，t h et o t a lp r e s s u r ed r o pi ss m a l l e rt h a n2 0 0 p m 木2 0 0 p m r e c t a n g u l a rm i c r o c h a n n e l t h ee f f e c t so fr e i na n dh e a tf l u xo np r e s s u r ed r o p ，f r i c t i o n a lf a c t o r , h e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n t ，n ua n dt h et e m p e r a t u r eo nt h eh e a t i n gs u r f a c ea r ee x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t e d t h ec o m b i n e dm i c r o c h a n n e lg e t sv e r yh i g hh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tw h i c hi ss i m i l a rt o t h a to f2 0 0 肛m 毒2 0 0 9 mr e c t a n g u l a rm i c r o c h a n n e lw i t hs m a l l e rp r e s s u r ed r o p k e y w o r d s ：m i c r o c h a n n e l ；s i n g l e - p h a s e ；e n t r a n c ee f f e c t ；f l o wa n dh e a tt r a n s f e r ； c o m b i n e d c l a s s n o ：t k l 2 4 致谢 两年的研究生生活转眼即逝，藉此论文即将成稿之际，特向指导和帮助过我 的老师、同学、朋友和支持我的家人表示诚挚的谢意。 本论文的工作是在我的导师贾力教授的悉心指导下完成的，贾力教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢二年来贾力 老师对我的关心和指导! 杨立新老师和张竹茜老师对我的论文和科研工作也提出了很多宝贵的意见， 在此致以由衷的感谢! 在实验室工作及撰写论文期间，管鹏师兄、谭泽涛师兄、赵楠师兄、银了飞 师兄、贾洪伟、任宝福、李志、柴银萍、崔洋洋和黄魏等同学对我论文的研究工 作及生活给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情! 另外也感谢我的父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 绪论 1 1研究背景及意义 美国政府的专家团从美国在国际市场中的竞争性、增强国防、保障能源安全 等方面确定了材料、加工、信息、通讯、生物、能源和交通七个领域的关键技术， 并总结了这七个领域共同的科学问题，微细尺度条件下的传热问题就是其中之一 1 】 o 微电子领域是最早开始研究微尺度传热问题的领域。从上个世纪六十年代以 来，电子芯片的集成度在以每年4 0 5 0 的速度不断提高【2 】，摩尔定律指出：“当 价格不变时，集成电路上可容纳的电晶体数目，大约每隔1 8 个月便会增加一倍， 性能也将提升一倍。”如图1 1 1 所示。目前来看，c p u 之所以向多核方向发展一 方面原因就在于冷却技术的限制，无法有效的对高频单核进行冷却。然而目前i n t e l 的c o r ei 7 中晶体管数量也已经达到了7 1 0 8 个，其所要求的散热功率达到了1 0 6 g , - m 2 ，又因为对于微电子器件，在7 0 8 0 的水平上，温度每增大一度，器件的 可靠性就会降低5 t 2 1 ，因此这对于目前的冷却方式而言是一种挑战。而航天、激 光等领域，对散热的需求也成为一项技术问题【3 】。 m i c r o p r o c e s s o rt r a n s i s t o rc o u n t s19 7 1 - 2 0 11 & m o o r e sl a w i o 二“ - 、- 翻： 、 ：“ 翟蕊善鸶霰b 一一黔i 黧= 奢“1 ：器h 1 9 7 11 9 8 0 9 9 0 图1 1 1 摩尔定律4 】 f i g 1 1 1m o o r e sl a w 湖啪 啪 咖呲 唧 啪啪 椭 2 1 表1 1 1 不同冷却方式韵特点及制约 按冷却介质分类名称 特点制约 结构简单，成本低，换热系数较低 风扇冷却运行可靠，技术成 熟 风冷合成微喷及振动制能有效地破坏热边采用气体作为工 冷器界层，相对风扇换质，换热效率并不 热性能更高【5 】能满足高热流密度 的情况【6 】 热管冷却技术成熟，响应较存在四大极限【9 】 快【7 】【8 】 需要额外的能源提 ? 。 供制冷介质流动的 液冷拥有很大的换热比泵功，为了获得更 微通道冷却表面积，换热很强，大的换热效果，无 易于集成在芯片上论是增大流量还是 减小通道尺寸，都 将引起沿程阻力的 迅速增大 基于p e l t i e r 效应，受材料所限制，效 仅由一个元件构率较低，难以集成 热电冷却成，结构简单，体应用 固体制冷积小，可靠性高， 无噪音【6 】 热电离子冷却热惯性小，响应时受材料限制 间快【6 表1 1 1 总结了六种冷却方式的优缺点，微通道作为一种高效紧凑型冷却装置 拥有极高并可控的换热系数，同时便于集成在电子芯片上，因而具有极高的研究 价值。而德国p r e y t e k 公司已经将其实际应用于自己的产品之中，如图l 一1 2 所示。 而由于液体相比气体具有更高的比热容，使用同样的热沉以空气为工质时热沉的 热阻要高于以液体为工质【1 0 】，同时由于液体在管路里的流动可以实现热量的定向 转移，而且也更加的静音环保，因此对于微通道内液体的流动与传热特性的研究 非常有意义。 。冒迸飞圆氅簟 奈米西斯n v t 显卡冷却块 。奈米西斯c p u 冷却块 v 焉孬f 爵磊罚一 致a m o a m d 6 4i 蜀嚣爨睦 塞鲞耍基霎盔施蕴嫒猃婆迭 蓑蘑子黑畿徽铲鲫q i 霉 t ir 耐t 乐薅曩k p 霉s ；霜ii 图l - 1 2 德国p r e y t e k 公司奈米砖斯系列产品 1 0 f i g 1 一l 一2t h ep r o d u c t so fp r e y t e k 1 2国内外研究现状 关于微通道尺寸的划分，目前主要按照k a n d l i k a r 和g r a n d e 1 2 1 的分类： 分子尺度通道：d 、 o 1 , u m ； 过渡型通道：0 1 , u m d 1 0 t m ； 微尺度通道：1 0 t i m d h 2 0 0 # m ； 微小尺度通道：2 0 0 p m d h 3 m m ； 常规尺度通道：3 m m d h 。 1 9 8 1 年，t u c k e r m a n 与p e a s e 1 3 】首先对微通道进行了实验研究，他们提出可以 在芯片的背面通过蚀刻的方式做出微通道，并通入冷却液以带走芯片发出的热量， 达到冷却的目的。以此为基础，他们在1 c m x l c m 的硅板上开了一系列宽5 0 p m 、 深3 0 2 1 a m 、间隔5 0 u m 的微通道，进行了以水为工作介质的流动与传热实验研究， 并认为其能够对加热功率7 9 0 w c m 2 的发热件进行良好的冷却。从此以后，国内外 的学者对微通道产生了极大的兴趣，并进行了大量的研究。 1 2 1微通道的流动与传热特性 微通道中，由于尺度效应的影响，相比常规尺度下，流动和传热规律会变得 有所不同，产生这种不同的原因主要分为以下两种： 隧鬣 圈麓 遵 1 、当通道的特征尺寸缩小到与流体粒子的平均分子自由程同一量级时， 基于连续介质假设的一些宏观概念和规律就不在适用，粘性系数和导 热系数等概念就需要重耨讨论，n s 方程和导热方程也不再适用。1 9 6 4 年，e r i n g e n 1 4 j 首先提出了一种微连续介质理论，并指出微通道内的流 动会与常规尺度上的传统方程描述有所不同； 2 、 通道的尺寸依然远大于流体粒子的平均自由程，连续介质假设依然成 立但是由于尺度的减小，使得各种影响因素的相对重要性发生了变 化，从而导致了流动和传热规律的变化。 对于第一种情况主要发生在流体介质为气体的情况下，并以无量纲的克努森 数为判据【l 引，而在流体介质为液体的情况下，主要影响原因则应该为第二种情况。 不同的现象主要有【l6 j ： l 、微通道内流体的流动阻力规律与常规尺度下不同，充分发展段的泊肃 叶数不再是常数而与r e 相关，层流向湍流过度的临界r e 产生变化； 2 、充分发展段的n u 不再是常数而是与r e 相关。 根据其他学者的研究，对于气体在微通道中的流动与换热情况而言，可压缩 性、稀薄效应、粘性加热效应、入口效应、通道的几何尺寸以及通道的表面特征 都对流动和传热有较大的影响【1 7 】【1 8 】【1 9 【2 0 】【2 l 】。但是对于介质为液体的情况，由于液 体的比热容与密度远远大于气体，比如在2 5 、1 0 0 k p a 下，水的定压比热容是氮 气的4 0 0 0 多倍，密度是氮气的近9 0 0 倍，因而可压缩性、稀薄效应及粘性加热效 应的影响较小，主要影响因素成为通道的几何尺寸、表面特征及入口效应。 1 2 1 1通道的几何尺寸及表面特征 s u n g - m i nk i m 和i s s a mm u d a w a r t 2 2 】【2 3 】，p g u n n a s e g a r a n 等【2 4 1 ，y o n g p i n gc h e n 等 【2 5 1 ，j o h np m c h a l e 和s u r e s hvg a r i m e l l a t 2 6 】研究认为在相同的水力直径下，矩形截 面微通道的换热系数最高，其次是梯形截面，最后是三角形截面。而对于矩形截 面通道，较小的水力直径、较大的宽高比或较小的通道间距能获得更高的传热系 数，泊肃叶数也随宽高比的增大而增大。对于三角形截面微通道，其具有相比矩 形和梯形截面微通道更高的热效率，即流体通过水力直径相同的三种截面微通道 后其压降是最小的，而泊肃叶数随三角形顶角的增大而增大。 g h m o h i u d d i nm a l a 掣27 】对直径5 0 b t m 到2 5 4 i - t m ，相对粗糙度从1 3 6 一7 o 的 微通道进行了实验研究，发现实验得到的摩擦系数的值高于常规理论预测值，且 通道直径越小，差距越大。 l i 【2 8 】等的研究发现，对于相对粗糙度在3 4 的不锈钢圆管，即使在层流区 4 域，粗糙度对于流动的影响也不可忽略。对于相对粗糙度5 的不锈钢圆管，转捩 r e 提前。 d a v i dp f u n d 掣2 9 1 与s a t i s hgk a n d l i k a r 等通过实验研究也认为粗糙度对于 微通道内的流动影响比较大，水在相对粗糙度3 的通道内的摩擦阻力系数高于传 统理论预测值。 李成文【3 i j 通过实验研究认为在相对粗糙度较小( 1 ) 时，气体在层流区的摩擦 常数与理论预测值较吻合，但是转捩有所提前，同时摩擦常数随着相对粗糙度的 增大而增大。 壁面材料与流体的亲和性也会影响流动及传热。这种亲和性主要是通过滑移 流来影响的，张雪花和胡钧【3 2 】整理了大量文献并说明，对于疏水表面，在固液界 面处有纳米气泡的存在，纳米气泡会导致液体的边界滑移，从而降低流动阻力。 霍素斌等【3 3 】在铝质的微通道内壁上制造出了超疏水表面并与具有超亲水表面 的微通道的流动特性进行了实验对比研究，发现在入口流速较小时压降差别不大， 但是随着流速的增大，超疏水表面的微通道会得到更小的压降且差值递增，直到 流速达到4 7 5 m s 时达到最大值( 2 5 ) ，后随流速的递增差值开始降低。他们认 为水在超疏水表面微通道内流动时会出现滑移流，且滑移速度和滑移长度随体积 流量的增大而增大。在r e 数较低，流动属于层流时，水在超疏水表面微通道内流 动的泊肃叶数基本保持3 0 不变，而高于2 5 0 0 后，泊肃叶数随r e 的增大而增大。 宋善鹏等【3 4 】对具有超疏水亲水表面微通道的换热性能进行了研究，认为当超 疏水表面出现空气层时，由于微纳米凹穴内空气会进行涡旋运动进而增强换热， 所以换热系数降低并不是很大。 c h a n g - h w a nc h o i ( 3 5 】等通过实验证明了在亲水和疏水表面的微通道内，滑移速 度与滑移长度均与壁面处的切变速率有关，均随切变速率的增大而增大。且滑移 长度与壁面处的切变速率是线性相关的。 1 2 1 2 入口效应 当粘性流体在流入通道内时，由于壁面切应力的作用，近壁面会出现速度边 界层，并且沿流动方向边界层开始逐渐增厚，最后汇合于通道中心线，达到充分 发展，之后速度分布不再变化。入口段就是指从流体进入管道开始到其达到充分 发展之间的流体区域，入口段的流动是速度分布不断变化的非均匀流动。而由于 通道特征尺寸的微小化导致的入口段对换热性能的影响称为入口效应。与流动入 口段相同，当流体与壁面存在热量交换时，管壁附近也会有温度边界层的出现， 并随流动方向逐渐增厚并汇合，这一段称之为热入口段。如图1 - 2 1 与1 2 2 分别 展示了流动入口段与温度入口段中的速度与温度分布发展情况。 m o r i n i l 3 6 1 和s t e i n k e 掣； 总结了大量学者对微通道流动换热特性的研究结果， 发现研究结果并不一致，并认为入口效应是产生这种不一致性的原因之一，需要 谨慎考虑。 张田阳【3 8 】也认为入口效应是导致许多学者研究结论不一致的重要原因之一， 流动入口段的摩擦阻力系数大于充分发展段而热入口段的对流换热系数远远高于 充分发展段。同时由于速度反转现象的出现，使得微通道中的入口段长度大于理 论预测值。 图1 2 1 流动入口段中速度分布发展 f i g 1 - 2 1v e l o c i t yp r o f i l ed e v e l o p m e n ti nt h ef l u i d d y n a m i ce n t r a n c el e n g t h 图1 2 2 热入口段中温度分布发展 f i g 1 - 2 - 2t e m p e r a t u r ep r o f i l ed e v e l o p m e n t i nt h et h e r m a le n t r a n c el e n g t h 云和明等【3 9 l 通过数值模拟的方法对光滑矩形微通道的流动和传热特性进行了 研究，并认为只有在通道的长径比大于7 0 的时候才可以忽略入口效应。 魏珍等【4 0 1 研究了水和乙醇的混合工质在硅基微通道内的流动和换热，并认为 实验中入口段最大占到通道总长的6 0 5 ，入口段是导致微通道整体换热性能提升 的主要原因。 t a r i qa h m a d 与l b r a h i mh a s s a n 【4 1 1 使用微粒子图像测速仪研究了三种不同水力 直径的矩形微通道的流动入e 1 段，并发现t d h = 0 5 5 ( 0 1 3 r e + 1 ) + 0 0 6 5 r e 能很 好的预测流动入口段的长度。 1 2 2复杂结构微通道的国内外研究现状 对于典型的微通道结构，如果要取得更高的换热系数只有增大r e 和减小通道 6 当量直径，但是这都会导致压降的急剧增大，影响经济性，因此为了能够在相同 的压降下取得更大的换热系数，国内外许多学者对复杂结构的微通道展丌了研究。 j 6 r 6 m eb a r r a u 等【4 2 】设计了一种树状平行的微通道热沉，如图1 2 3 所示。经过 实验验证这种结构的微通道热沉有更高的传热系数以及轴线方向上更低的温度梯 度，但是并没有深入讨论该热沉的压降特性，且所有实验结果并未与长直通道的 实验数据进行对比，没有说服力。 攀一 警攀萋雾 酶艺一= “ 图1 2 - 5 偏置式条形翅片的微通道热沉结构示意图 f i g 1 - 2 - 5s c h e m a t i cd i a g r a mo fo f f s e ts t r i p - f i nm i c r o c h a n n e lh e a ts i n k l c h a i 掣4 6 】设计了一种在长直通道两侧有扇形凹槽分布的微通道结构，如图 l 一2 6 所示，并将其与常规的长直通道的流动与换热性能进行仿真对比，并得出结 论，在较低的r e 下，此结构的微通道热沉的沿程阻力低于常规长直通道，但是会 随着r e 的增大而超过常规长直通道( 层流) ，此结构的微通道热沉的换热性能优 于常规长直通道，且随着r e 的增大这种差距会增大。而g u o d o n gx i a 等【47 】则设计 了在长直通道两侧有三角形凹槽分布的微通道结构，如图1 2 7 所示，并对其进行 了模拟仿真，得出了与l c h a i 等人相似的结果，在较高的r e 数下( 层流) ，沿程 阻力要大于常规长直通道。 图l 一2 6l c h a i 等人设计的微通道结构示意图 f i g 1 - 2 6m i c r o c h a n n e ld e s i g n e db yl c h a i 图1 - 2 7g u o d o n gx i a 等人设计的微通道结构示意图 、 f i g 1 - 2 7m i c r o c h a n n e ld e s i g n e db yg u o d o n gx i a y j c h e n g 【4 8 】对双层微通道结构( 如图1 2 8 ) 的热沉进行了数值研究，此种结 构的热沉热阻明显低于单层结构的，但是这也意味着需要更多的泵功率来驱动冷 却流体的流动。l a nt a n g 和y o g e n d r ak j o s h i 4 9 】利用仿真分析了2 5 层的多层微通 道散热器的性能。 图1 2 8 双层微通道结构热沉示意图 f i g 1 - 2 8s c h e m a t i cd i a g r a mo fs t a c k e dm i c r o c h a n n e lh e a ts i n k j i n l i a n gx u 等【5 0 】对一种间断式的长直通道热沉结构( 如图1 - 2 9 ) 进行了数值 分析，他们认为这种结构间断的特征使得热边界层要经历多次的重新发展，因而 相当于增长了入口段长度使换热性能得到了提升，同时由于通道渐扩效应，相比 常规的长直通道，其压降并没有升高反而有所下降。 图1 - 2 9 间断式的k 直通道热沉结构示意图 f i g 1 - 2 9s c h e m a t i cd i a g r a mo fi n t e r r u p t e da n dc o n v e n t i o n a lm i c r o c h a n n e lh e a ts i n k s k i d m o r e j a 等【5 1 1 根据激光二极管的结构，设计了一种特殊的微通道结构，如 图1 2 1 0 所示，相比传统微通道结构延长了流程变换了流动方向，有效地解决了 温度分布不均的问题。 图1 - 2 1 0 适j l j 于激光二极管的特殊微通道结构示意幽 f i g 1 - 2 10m i c r o c h a n n e ld e s i g n e db ys k i d m o r e j a t j j o h n 等 5 2 】对针形翅片的微通道结构进行了数值模拟研究，如图l 一2 1 1 所 示，在3 0 0 以下的低r e 阶段，圆形针肋换热效果要强于矩形针肋，反之亦然。对 于矩形针肋，轴向间距的大小对压降和热阻的性能影响不大，但是对于圆形针肋， 随着轴向问距的减小，压降增大，热阻减小。 9 图1 - 2 11 针肋结构微通道示意图 f i g 1 2 11s c h e m a t i cd i a g r a mo fp i n f i nm i c r o c h a n n e lh e a ts i n k f j h o n g 等【5 3 】对树杖型的微通道热沉( 如图1 2 1 2 ) 进行了数值分析，并得 出结论，在相同的泵功率条件下，树杖型的微通道热沉热阻更低且在发热元件表 面的温度分布更加均匀，但是当流体达到最高子层时，流体温度已经被加热到了 一个较高水平，吸热能力较低，另外加上最高子层周边的通道密度较低，对流换 面积少，因而在热沉的周围会形成热岛，且结构复杂，不易加工。 图1 2 1 2 树权型的微通道热沉结构示意图 f i g 1 2 - 12s c h e m a t i cd i a g r a mo ff r a c t a l - s h a p e dm i c r o c h a n n e ln e t w o r kh e a ts i n k 邹江 5 4 】贝0 对交错流道的微通道进行了实验及理论分析，认为由于边界层的周 期性破坏，通道的局部热阻系数轴向波浪式上升，在相同的流速、泵功或压降的 条件下，相对直通道均强化了传热。 可见目前关于复杂结构的微通道依然处在研究阶段，且数值模拟较多，且在 低r e 阶段的关注较少。 1 3本文主要研究内容 l 、 2 、 3 、 利用数值模拟的手段，分析微通道内的流动和传热特性，并确定入口 r e ，宽高比和加热功率对于流动入口段和热入口段长度的影响； 搭建实验系统，通过实验的手段充分认识入口r e 、加热功率和通道截 面形状对流动和传热的影响； 通过实验对比分析典型直通道与组合型微通道的流动和换热特性， 1 0 2 微通道中液体流动和传热的数值模拟 由于入口段的长度难以通过实验的手段精确测量出来，因此这一章利用数值 模拟软件a n s y s c f x 对微通道中液体的单相流动的入口段进行了数值模拟研究。 2 1 微通道物理模型的建立与假设 利用u g 三维制图软件建立几何模型，如图2 一1 1 所示，底部面为加热面，其 至顶端的距离h = 2 0 0 0 l - t r n ，通道两侧的问壁宽度为1 0 0 1 a m ，建立了2 0 0 1 m a * 2 0 0 i t m ， 2 0 0 i t m * 5 0 0 1 a m ，2 0 0 1 a m * 7 0 0 i m a ，2 0 0 1 a m * 5 0 0 1 a m 和2 0 0 1 m a * 5 0 0 1 t m 五种不同微通道 截面尺寸的几何模型，并利用i c e m 软件划分网格，网格数量为1 2 0 万左右，如 图2 1 2 所示。 图2 - 1 - 12 0 0 1 a m 5 0 0 1 a m 微通道几倒模型结构不意图 f i g 2 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f2 0 0 i u n 2 0 0 p mm i c r o c h a n n e l 利用c f x 软件进行数值模拟计算时，考虑如下假设： l 、忽略自然对流及辐射换热，即除去加热面及进出口其他外表面均设置 为绝热面； 2 、流动及传热是稳态的； 3 、 基板材料选用铜，物性参数设置为定值：p c 。= 8 9 3 3 k g m 3 ， c c u = 3 8 5 j ( k g 。k ) ，2 c u = 4 0 1 w ( m k ) ； 4 、 冷却工质为水，物性参数考虑温度的影响： p w a t e r = 8 1 1 5 2 1 + 1 5 3 3 7 x t 一0 0 0 3 0 6 x t 2 ( 2 一1 ) c w a t e r = 8 9 3 9 2 7 3 9 4 8 x t + 0 11 t 2 - 9 2 5 9 2 6 e 一5 x t 3 ( 2 - 2 ) 九眦，2 ( - 9 3 5 5 2 7 9 + 0 8 5 4 3 9 t - 0 0 0 11 3 x t 2 ) x o 0 1 ( 2 - 3 ) l w a t e r 一- - - ( 1 3 4 0 8 9 e 6 e x p ( - t 3 6 0 8 6 8 2 ) + 1 3 4 0 8 9 e 6 x ( 2 - 4 ) e x p ( - t 3 6 0 8 6 8 2 ) + 2 0 1 12 2 6 6 ) xle - 6 、。 其中的t 均指的是热力学温度； 5 、 ： 质为不可压缩流体，流动为层流，且流动无滑移： 6 、入口条件为给定质量流量，水的入口温度为2 9 7 k ，出口条件为背压为 0 p a ， 7 、 计算残差小于l o 一5 时停止运算。 图2 1 22 0 0 岬宰2 0 0 岬微通道的网格划分截面图 f i g 2 - 1 2d e t a i l so f t h em e s hu s e df o rs i m u l a t i o no f2 0 0 1 a m 幸2 0 0 p mm i c r o c h a n n e l q u 和m u d a w a r t 5 5 1 对微通道内单相水的流动和传热问题进行了实验和数值研 究，认为传统的n a v i e r - s t o k e s 和能量方程依然能够很好地描述其中的流动和传热 问题。 、陆向迅等【5 6 1 也对矩形微通道内液体单相流动与传热特性进行了数值模拟分 析，同样认为传统的n a v i e r - s t o k e s 和能量方程依然适用。 本文主要研究低r e 数下的层流流动问题，因此控制方程选择传统的 n a v i e r - s t o k e s 和能量方程。 连续性方程： 一0 p + 亟趔+ 型+ 盟型：0 ( 2 5 ) o to x 砂 o z 动量方程： x 方向，_ o ( p u ) + d i v ( p u u ) ：d i v ( p g r a d u ) + s 一挈( 2 - 6 a ) u t0 譬 y 方向，了o ( p v ) + d i v ( p v ：d i v ( 声t g r a d v ) + s 厂字 ( 2 - 6 b ) u f o y z 方向，掣+ d i v ( p w u ) ：d i v ( p g r a d w ) + s , - 罢 ( 2 - 6 c ) o t0 z 能量守恒方程： a ( 肋) 。o ( p u h ) a ( p v ) o ( p w h ) a t融 匆 a z 一，d i v u + d i v ( , a , g r a d t p a t v ua t v ( ) l g r a c l l ) + 矽+ s j + 缈+ 6 其中矽代表粘性热： 叫 2 ( 譬) 2 + ( 罢) 2 + ( 竺) 2 + ( i o u + i o v ) 2 + t y x卯统卯嬲 ( 罢+ 祟) 2 + ( 兰+ 譬) 2 ) + 2 d i v u 2 2 数值模拟结果的分析 2 2 1流动入口段 ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) 粘性流体进入通道中时，在壁面切应力的作用下近壁面会出现速度边界层， 并且沿着粘性流体的流动方向边界层由零开始逐渐增厚，最后汇合于通道中心线 处，达到充分发展，之后速度分布将不再变化。而由于在流动入口段速度边界层 较薄，速度梯度较大，因而摩擦系数相对于充分发展段较大，因此对于流动入口 段的分析有助于分析通道总体的摩擦系数。图2 2 1 所示为2 0 0 岬木2 0 0 m 的微通 道在入口r e = 2 0 0 时，不同轴向位置上的速度分布曲线。 2 0 5 富 宅 ；1 。 莒 垩t 5 o o z m ) 图2 - 2 1 不同位置截面上流体速度分布图 f i g 2 2 1v e l o c i 哆d i s t r i b u t i o ni nc r o s s s e c t i o n 将其与t a r i qa h m a d 等人在相同入口r e 数( r e = 2 0 0 ) ，相同管径( 2 0 0 p m 2 0 0 p m ) 的实验结梨4 1 1 进行对比，如图2 2 2 ，发现在流动达到充分发展之前，距入i s 7 8 2 i t m 之后模拟所得流形能与实验结果较好地吻合，因此认为本文的数值模拟结果能很 好地预测流动入口段的长度。 匕丞童迪厶堂亟：羔位途塞邀迪遒虫邃喳逾动塑! 篮垫的塑焦搓型 图2 - 2 2 不同位置截面上流体速度分布模拟与实验对比 f i g 2 - 2 2c o m p a r i s o nc o r r e l a t i o nw i t he x p e r i m e n t a ld a t a 通过图2 - 2 2 可以看出，无论是实验还是模拟结果，在距入口y = 1 6 1 a m 位置处， 速度的最大值出现在近壁面处而不是在中心位置，这是由于在入口附近在通道的 四个角落处有相对较大的压力梯度，导致二次流的出现并在角落处达到最大值， 因而使入口附近的速度分布出现异常，如图2 2 3 所示。而在距入口稍远的地方如 图2 2 4 所示，y = 2 5 0 0 p m 处，截面上压力梯度基本消失，二次流消失，使流体的 速度分布恢复正常。 图2 - 2 3y = 1 6 i - t m 处截面上的压力云图 f i g 2 2 3p r e s s u r ec o n t o u r s ( y = 16 i t m ) 图2 2 _ 4y = 2 5 0 0 p m 处截面上的压力云图 f i g 2 2 4p r e s s u r ec o n t o u r s ( y = 2 5 0 0 u m l 本文处理流动入口段的长度时，认为通道中心线速度达到充分发展段中心线 速度的9 9 处距离入口的长度就是入u 段长度。本文考虑了入口r e 数、热流密度 和宽高比对流动入口段长度的影响。 如图2 - 2 5 ( a ) ( b ) ( c ) 所示，可以看出在相同的加热功率下，流动入口段的 当量长度( 流动入口段的长度与通道水力直径之比) l v d 大于常规通道的理论预 测值0 0 5 r e 5 7 l ( 图中红色圆点连线) ，并且差值随着r e 数的增大而增大。与常规 理论相同，l v d 基本上是随入口r e 线性递增的。 1 4 ( b ) 05 01 0 01 5 02 0 0 筠0 r e 。 ( c ) 图2 - 2 5l v d 随r e i 。的变化曲线( 口= 5 4 w c m 2 ) f i g 2 2 5v a r i a t i o no f l v dw i t hr e i ( 亩= 5 4 w c n l 2 ) a ：2 0 0 p m 幸7 0 0 i _ t m ，b ：2 0 0 p m 宰5 0 0 n ，c ：2 0 0 p r o 2 0 0 1 t m 通常认为流动入口段的发展与加热与否并无关系，但是本文中考虑了流体物 性随温度的变化，由于水的动力粘度会随着温度的升高而迅速下降( 图2 2 6 ) ，。 因此如图2 - 2 7 ( a ) ( b ) ( c ) 所示在相同的入口r e 数下，l v d 会随着热流密度的 增大而非线性减小，并逐渐平缓。 阼i 百菊西i 司 声 坠 譬 e 尊 畏 蔷 mo t e m 胂r a t u r e ( k ) 图2 - 2 6 水的动力粘度随温度的变化曲线 f i g 。2 - 2 - 6v a r i a t i o no f d y n a m i cv i s c o s i t yo f w a t e rw i t ht e m p e r a t u r e 、 一 6 ( w l c m 2 ) ( b ) 6 ( w c m 2 ) ( c ) 图2 - 2 7l v d 随加热热流密度口的变化曲线( r e i n = 1 9 0 ) f i g 2 2 7v a r i a t i o no fl v dw i t h 口( r e i n = 19 0 ) a ：2 0 0 p m 7 0 0 “r n ，b ：2 0 0 p m 5 0 0 i t m ，c ：2 0 0 p m 奉2 0 0 p m 由于不同的宽高比会影响入口处截面上的压力分布，从而影响入口处速度边 界层的发展，从图2 2 8 可以看出，在相同的加热功率与入口r e 数下，l 徊随 宽高比的增大而先增后减，在宽高比为2 5 时达到最大值。 1 4 1 3 1 2 凸 三， 1 0 9 图2 - 2 8l v d 随宽高比的变化曲线( r e i n = 1 9 0 ，圣= 1 0w c m 2 ) f i g 2 2 8v a r i a t i o no f l v dw i t ha s p e c tr a t i o ( r e = = 1 9 0 ，口= 1 0w c m 2 ) 2 2 2热入口段 本研究中沿流动的方向上，通道核心温度达到充分发展段核心温度的9 9 9 6 处距 1 6 1jj4，11111j4 1|111j11j14 舻 。 1l，i叫l，iqlj 离入口所对应的长度就是热入口段长度。此处无量纲温度定义为： t x 2 是 ( 2 - 9 ) 其中：t 为壁面温度，t 。，。为截面处的平均温度，t 为核心温度。 e0 0 0 1 钟 ：5 糟7o 糟7s 翘a o 瑚52 舅e 柏s3 0 口0 湘s ， 03 0 15 湖2o t e m p e r a k u r e ( k ) 图2 - 2 92 0 0 b m * 2 0 0 b m 通道内不同位置截面上流体温度分布图( r e i l l = 1 9 0 ，口= 5w e r a 2 ) f i g 2 2 9t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nc r o s s - s e c t i o n 从图2 2 9 可以看出，加热方式为上表面绝热，其他三个表面加热，因此核 心温度的位置在通道中心线的上方。 0拍1 * 钳2 0 02 5 0o5 0l 2钟2 5 0 r e 。r e 。 ( a ) r e ( c ) ( b ) 图2 - 2 1 0 热入口段长度l , d 随r e i l i 的变化曲线( 口= 5 4 w c m 2 ) f i g 2 - 2 1 0v a r i a t i o no f l t dw i t hr e i n ( = 5 4 w c m 2 ) a ：2 0 0 “m 率7 0 0 m