（机械工程专业论文）微散热流体通道结构参数对工质流动及传热性影响的研究.pdf

原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。作者签名：学位论文版权使用授权书本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名：三二坠率导师签名蒸墨叠鲨日期：三旦垒年盖月卫日 中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 伴随机械系统向微小尺寸、高集成度、多功能化趋势的发展，系 统产生的热流密度越来越大，传统的强制风冷散热己不能满足散热需 求，以微通道冷却技术为基础的微散热器具有体积小、散热效率高等 特点，能在小面积内实现高效导热，为微机械系统的散热提供了最有 前景的解决方案。本文研究微散热器内流体通道( 微通道) 的结构参 数对工质流动及传热特性的影响规律，为微散热器散热性能提高及结 构优化提供理论参考，本文开展的主要工作有： 首先，分别对流体通道截面形状为矩形、三角形、梯形和半圆形 的微散热器进行数值模拟研究，结果表明，在相同条件下，矩形流体 通道微散热器具有更佳的散热性能。 其次，对矩形流体通道微散热器的流动及传热特性进行理论研 究，分别建立了阻力系数、总压降、n u 数的数学模型，得出它们在 不同水力直径和入口速度下的理论预测值。 最后，对不同水力直径的矩形流体通道微散热器的流动及传热特 性进行数值模拟和实验研究，并将模拟和实验结果与理论预测值进行 对比，得出相关结论，同时分析误差产生原因，并对流动及传热参数 的理论模型进行修正，得出在微散热器中更为适用的流动与传热模 犁。 关键词微散热器，水力直径，截面形状，流动特性，传热特性 中南大学硕士学位论文a b s t r a c ta b s t r a c t晰t 1 1t h ed e v e l o p m e n to fm e c h a n i c a ls y s t e m st ot h es m a l ls i z e 、h i g hi n t e g r a t i o na n dt h et r e n do fm u l t i - f u n c t i o n a l ，t h eh e a tf l u xg e n e r a t e db yt h es y s t e mi sr a p i d l yi n c r e a s i n g ，t r a d i t i o n a lf o r c e da i r - c o o l i n gm o d ec a nn o ts a t i s f yt h ec o o l i n gn e e d s m i c r oh e a ts i n kb a s e do nm i c r oc h a n n e lc o o l i n gt e c h n o l o g y , w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fs m a l ls i z ea n dh i g ht h e r m a le f f i c i e n c y , c a na c h i e v ee m c i e n th e a tc o n d u c t i o ni nas m a l la r e a ，t op r o v i d et h em o s tp r o m i s i n gs o l u t i o n sf o rt h ec o o l i n go ft h em i c r o - m e c h a n i c a ls y s t e m s 。b a s e do nt h ea b o v e ，t h i sp a p e ri n v e s t i g a t et h ee f f e c to fm i c r oh e a ts i n kf l u i dc h a n n e lm i c r o c h a n n e l ss t r u c t u r a lp a r a m e t e r so nt h em a i nf l o wc h a r a c t e r i s t i c sa n dh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c s ，a n a l y z et h em i c r oh e a ts i n kw o r k i n gf l u i df l o wa n dh e a tt r a n s f e rl a w , t op r o v i d eat h e o r e t i c a lr e f e r e n c ef o rt h ei m p r o v e m e n to fm i c r oh e a ts i n kt h e r m a lp e r f o r m a n c ea n ds t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n ，t h em a i nw o r kc a r r i e do u ti nt h i sp a p e r ：f i r s t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s e a r c ho nt h em i c r oh e a ts i n kw i t hd i f f e r e n tf l u i dc h a n n e lc r o s s s e c t i o ns h a p eo fr e c t a n g u l a r , t r i a n g u l a r ,t r a p e z o i d a la n ds e m i c i r c u l a rw a sc a r r i e do u t ，t h er e s u l t ss h o wt h a t ，u n d e rt h es a m ec o n d i t i o n s ，t h em i c r oh e a ts i n kw i t hr e c t a n g u l a rf l u i dc h a n n e lh a sb e t t e rh e a td i s s i p a t i o np e r f o r m a n c e s e c o n d l y , t h e o r e t i c a ls t u d i e so nf l u i df l o wa n dh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so ft h er e c t a n g u l a rc h a n n e lm i c r oh e a ts i n kw a sc a r r i e do u t ，t od e s c r i b et h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c sw i t ht h ed r a gc o e f f i c i e n ta n dt o t a lp r e s s u r ed r o p ，t od e s c r i b et h eh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c sw i t ht h en un u m b e r , t h et h e o r e t i c a le x p r e s s i o n so ft h ed r a gc o e f f i c i e n t ，t o t a lp r e s s u r ed r o p ，c o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e rn un u m b e rw a se s t a b l i s h e d ，r e s p e c t i v e l y ,t h e o r e t i c a lp r e d i c t i o n su n d e rd i f f e r e n th y d r a u l i cd i a m e t e ra n di n l e tv e l o c i t yw a so b t a i n e d f i n a l l y ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ls t u d i e so nt h ef l o wa n dh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so fr e c t a n g u l a rc h a n n e lm i c r oh e a ts i n kw a sc a r r i e do u t ，a n dc o m p a r es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sw i t l l 中南大学硕士学位论文 t h e o r e t i c a l p r e d i c t i o n s ，d r a wc o n c l u s i o n s ，a n da n a l y z e d e v i a t i o n c a u s e s ，c o r r e c tt h e o r yc a l c u l a t i o no ff l o wa n dh e a tt r a n s f e rp a r a m e t e r s ， d r a wm o r ea p p l i c a b l ef l o wa n dh e a tt r a n s f e re x p r e s s i o n si nt h em i c r oh e a t s i n k k e yw o r d sm i c r oh e a ts i n k ，h y d r a u l i cd i a m e t e r , c r o s s - s e c t i o ns h a p e ， f l o wc h a r a c t e r i s t i c s ，h e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c s 中南大学硕士学位论文目录目录摘要ia b s t r a c t i i目录i v第一章绪论11 1 课题研究的背景及意义11 1 1 课题研究的背景11 1 2 课题研究的意义21 2 国内外研究现状41 2 1 国外研究现状41 2 2 国内研究现状51 3 本文主要内容6第二章微散热器流动与传热特性研究方法的确立82 1 微散热器及微散热系统82 1 1 微散热器82 1 2 微散热系统92 2 微尺度划分及微尺度下流体流动的特殊效应1 02 2 1 微尺度划分1 02 2 2 微尺度下流体流动特殊效应1 02 3 微散热器内工质流动与传热特性研究方法1 22 3 1 本文研究方法的确立1 22 3 2 微散热器内流体流动与传热的控制方程1 32 4 不同截面形状微散热器流动及传热特性的数值模拟1 52 4 1f l u e n t 软件求解流程1 52 4 2 不同截面形状微散热器的物理模型1 62 4 3 网格划分1 72 4 4 初始化条件和边界条件设定1 82 4 5 数值模拟结果分析1 92 5 本章小结2 3第三章矩形流体通道微散热器内流体流动及传热特性理论分析2 53 1 矩形流体通道微散热器阻力及压降的理论分析2 53 1 1 矩形流体通道微散热器物理模型2 53 1 2 矩形流体通道微散热器阻力分析2 63 2 矩形流体通道微散热器速度分析2 83 3 矩形流体通道微散热器n u 数理论分析3 l3 4 本章小结3 2第四章矩形流体通道微散热器内流体流动及传热特性数值模拟3 3i v 中南大学硕士学位论文 目录 4 1 矩形流体通道微散热器网格模型3 3 4 2 不同水力直径微散热器流动与传热特性的数值模拟3 4 4 2 1 不同水力直径矩形流体通道尺寸描述3 4 4 2 2 初始化条件和边界条件3 4 4 2 3 水力直径对微散热器压降的影响3 4 4 2 4 水力直径对微散热器的阻力系数影响3 5 4 2 5 水力直径对微散热器内速度梯度和压强梯度的影响3 6 4 2 6 水力直径对微散热器对流换热n u 数的影响3 7 4 3 本章小结3 9 第五章微散热器流动与传热特性的实验研究4 0 5 1 实验平台的建立4 0 5 1 1 实验平台总体方案4 0 5 1 2 试验件4 1 5 1 3 动力系统4 2 5 1 4 加热系统4 2 5 1 5 数据采集系统4 3 5 1 6 实验步骤4 4 5 2 实验数据处理4 5 5 2 1 压降和阻力系数计算公式4 5 5 2 2 对流换热n u 数计算公式4 5 5 3 实验结果分析4 6 5 3 1 水力直径对实验压降值的影响4 6 5 3 2 水力直径对实验阻力系数的影响4 7 5 3 3 水力直径对实验对流换热n u 数的影响4 8 5 4 本章小结4 9 第六章结论与展望5 l 6 1 全文总结，5 1 6 2 工作展望5 2 参考文献5 3 附录l 温度采集程序5 9 致谢6 6 攻读硕士学位期问主要研究成果6 7 v 中南大学硕士学位论文第一章绪论1 1 课题研究的背景及意义第一章绪论弟一早疆比1 1 1 课题研究的背景伴随现代化m e m s 技术的不断进步，电子芯片和生物芯片都随之朝着微小尺寸、高集成度、多功能和高功率的方向发展。以计算机芯片为例，1 9 7 1 年，i n t e l公司生产的第一个电子芯片c p u ，当时在它上面共集成了2 3 0 0 万余个晶体管，到现在计算机c p u 上集成的晶体管数已超过1 0 亿个【l 】，有学者推算，每1 8 个月芯片上集成的晶体管数翻一翻1 2 j ，这种高集成度给计算机的处理速度和性能带来了质的提升，使得每四年都有一批旧的计算处理器芯片被淘汰。在计算机芯片集成度迅速提高、计算机处理能力大幅提升的同时，电子芯片上所有元器件的总功率也急剧上升，学者r m a h a j a n ，r n a i r 等【3 j 的研究表明，c p u 的功率每3 6 个月翻一番，r a v is p r a s h e r ，j e - y o u n gc h a n g 等【4 】预计计算机c p u 的散热需求将达到1 5 0 - - 一2 0 0 w 以上。芯片总功率的上升导致芯片总发热量、表面热流密度和表面温升都大幅提高，有资料显示【5 】，在上世纪7 0 年代，集成芯片的热流密度约为l o w c m 2 ，9 0 年代后，集成芯片的热流密度已上升到1 0 2w c m 2 ，可以预测，到2 l 世纪中期，集成芯片的热流密度将会达到2 0 0w c m 2 。随着芯片表面热流密度和温度的上升，芯片的可靠性、使用寿命都大大减小，资料显示【6 j ，温度对芯片可靠性影响较大，在电子芯片的温度达到7 0 - - 一8 0 后，温度每上升1 0 ，电子芯片的可靠性下降5 。在当前，电子芯片的主要失效形式就是热失效，据统计，芯片的失效有5 5 是温度超过规定值引起1 7 j ，随着温度增加，电子芯片的失效率呈指数增长，对于现行的笔记本电脑，当检测到c p u 温度超过8 5 时，为保证硬件安全，系统会强制关机，随着科学技术的发展，芯片的集成度越来越高，如果不寻求高效的散热方法，计算机芯片表面温度达到8 5 。c的情况会很常见，这将成为计算机整体性能提升的巨大羁绊。现阶段，计算机芯片的散热一直采用传统的强制风冷散热，相比液冷散热，这种散热方式最大的优点就是安全可靠，液冷散热下工质泄露会对直接损毁计算机芯片，强制风冷散热主要借助风扇实现空气和散热肋片之间的强制对流换热，它不存在工质泄露的问题，对芯片的运行安全没有威胁，但它也有明显的缺点，由于空气的导热系数较低，空气和散热片对流换热带走的热量是有限的，c l e m e n sj m 等f 8 】研究表明空气对流散热的极限热流密度不超过5 0 w c m 2 ，显然这不能满足高集成度芯片的散热需求，不仅在电子芯片的散热领域，随着机械系统向小型化1 中南大学硕士学位论文第一章绪论 的趋势发展，在航空航天、光伏光热一体化、生物科学、纳米科学等领域，系统 散热都是亟待解决的问题，新的高效散热方式研究刻不容缓。 尽管强制液冷散热的可靠性存在问题，但由于液体比空气的导热系数高许 多，在耗相同的电功的情况下，强制液冷比强制风冷具有更高的散热效率，因此， 未来高效散热方式的研究中离不开强制液冷1 9 j 。1 9 8 1 年，t u c k e r m a n 和p e a s e 1 0 】 提出了利用微通道散热的观点，他们设计的平行微通道热沉( 微散热器) 结构如 图1 - 1 所示，单个矩形微通道的高度为3 0 2 9 m ，宽度为5 0 9 m ，通道间距为5 0 9 m ， 总长度为l c m ，计算水力直径为8 5 8 9 m ，测试时，以水为流动工质，在水流量为 8 6 c m 3 s ，散热热流密度可达到7 9 0 w c m 2 ，最终试验结果表明，在微尺度下，液 固对流换热效果比宏观尺度下的对流换热效果显著很多，同时微散热器的总体尺 寸在毫米级，特别适合在小面积内实现高效导热，这为集成芯片散热提供了新思 路，因其具备极高的散热热流密度，在其他领域也具备广阔的应用前景。 囊- ；毒 图卜1t u c k e r m a n 和p e a s e 设计的微散热器训 综上所述，在集成芯片散热以及其它热流密度集中的领域，如何在小面积内 达到快速散热的目的，是当前散热技术要解决的难点问题。自从学者t u c k e r m a n 和p e a s e 提出了微通道散热技术后，众多学者【1 1 。1 7 1 对以微通道冷却技术为基础的 微散热器开展了实验研究，结果都表明微散热器的散热效率较高，可以满足小面 积内高效散热的需求。本文在查阅大量文献资料的基础上，研究微散热器内流体 通道( 微通道) 的结构参数对工质流动及传热特性的影响，分析微散热器内工质 流动与传热的规律，为微散热器的散热性能提高及结构优化提供理论参考。 1 1 2 课题研究的意义 目前，针对微散热器开展的研究多半还只停留在理论和实验研究阶段，没有 形成成熟的微散热器设计理论，更没有实现微散热器的产业化，限制其发展的因 素主要有两个： 中南大学硕士学位论文第一章绪论 首先，在理论上，微散热器内工质流动与传热规律一直明显突破。微尺度下 的流动与传热现象与常规的现象将存在本质的区别，比如黏性的影响在空间微尺 度下将发生显著的改变l l 引。这方面的研究有待于更多的实验和理论工作。微散 热器内流体的运动属于微尺度流动，它有其自身的运动规律，在不同截面形状、 不同水力直径下，微散热器内流动与传热特性更是复杂多变，国内外这方面的研 究也还刚刚开始，本文所开展的微散热器内流动与传热特性的研究，是在前人的 基础迸一步探索，期望对科学工作者突破微散热器内部流动与传热规律这一难题 有所启示，为微散热器的理论设计及分析提供参考。 其次，微散热器很难与电子芯片等发热元件可靠的集成在一起，微散热器内 工质流动阻力较大，需要动力来促使工质不断循环流动，因此微散热器无法单独 工作，它需要置于一个微散热系统中，图卜2 为c o o l j g y i n c 等 1 9 - 2 1 所设计的微 散热系统的结构示意图，整个微散热系统包括微散热器、微泵、热辐射单元三部 分，不管微散热器系统如何简化，这三大部分必不可少，因此在发热元件上安装 的不仅仅是微散热器，而是一整个微散热系统，系统内有流动的液体工质，而且 牵涉多处管路连接，所以安装使用过程中就有了许多不确定因素，直到现在还没 有完整将微散热器用于工程应用的实例。在此研究微散热器内流动与传热特性， 为微散热器设计理论的完善及其产业化做了积极探索，为微散热器及其系统的结 构优化提供了理论支撑。 图1 2 c o o ij g y in c 设计的微散热系统【1 9 - 2 1 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 目前，针对微散热器的研究主要集中在其内部流体通道上，在查阅相关资料 后，本文整理微散热器流体通道的研究现状如下。 1 2 1 国外研究现状 p f a l h e r 等 2 2 - 2 4 研究了水力直径为1 6 1 m 和3 4 9 m 的矩形通道及宽为1 0 0 1 m 、 深为0 5 5 0 岬的梯形微通道内的流动特征。结果表明：实验测得的摩擦阻力系 数随着r e 的减小而减小，且均小于理论计算值，作者还发现流体的极性也将对 微槽道内的流动特征产生影响。 m a l a 和l i 睇习通过实验研究了水在圆形微通道中的流动特性。微通道材质为 硅和不锈钢，直径为5 0 - - 2 5 4 1 u n 。实验结果表明：在给定体积流量的条件下，小 雷诺数情况下，实验摩擦阻力系数与理论计算值大致符合；随着r e 数的增大， 实验值显著偏离理论计算值，偏离程度随管径的减小而增大，作者认为这是由于 微管内壁面的粗糙度造成的。 h a r m s 等【2 6 】实验测量了去离子水在矩形微通道中流动时的摩擦阻力常数。实 验中的微通道在硅板上刻蚀而成，水力直径为4 0 4 “m 。作者发现在层流范围内， 实验得到的摩擦系数与理论计算值相一致。 q u 等【2 7 j 实验研究了水力直径为5 1 肿和1 6 9 1 m 的梯形硅质微通道内流体的流 动特性。实验结果表明：在层流范围内，实验测得的摩擦阻力系数大于理论计算 值，作者认为产生这种差别的原因是流体粘性的变化。 d i n g 等1 2 8 j 研究了r 1 3 4 a 和r 1 2 在矩形和梯形不锈钢管中的流动特征，微通 道的水力直径为4 0 0 6 0 0 岬，实验结果表明：实验得到的摩擦阻力系数大于理论 计算值，且摩擦阻力系数的大小与管壁的粗糙度相关联；作者发现在实验中摩擦 阻力常数在层流范围内不再是常数，而是随着r e 数变化的。 r o l a n db a v i e r e t t m 2 9 1 通过实验和数值模拟研究y - - 维微通道( 高从2 0 0 1 u n 至7 0 0 1 u n ) 内工质的对流传热特性，他们认为固体和流体界面温度的测量误差可 能是造成尺度效应的原因，而温度误差决定努赛尔数( n u 数) 准确程度。 x u 等d o 研究了水力直径为3 0 - - 3 4 4 1 j m 的微管道内的液体流动，实验中，分别 将微管道加工在铝板和硅片上，他们认为：在水力直径大于3 0 1 9 m 的微管道中， 传统的n a v i e r - - s t o k e s 方程仍适用，微管道中的流动现象虽然具有特殊性，但 这些现象是由于加工工艺引起的，而不是微管道几何尺度微小造成的。 j u d y 等1 3 l 】研究了压力驱动下流体通过圆形和方形的石英玻璃和不锈钢道的 流动情况。通道水力直径4 7 1 0 l 岬，流动情况8 l m m 小通道 2 0 0 v m d 。l m m 微通道l o m n d h 2 0 0 1 u n 过渡性小通道 1b m d 。l o p m 过渡性纳米通道0 1p m d 。ib m 分子纳米通道 d 。0 i b m 在本文中，微散热器内流体通道的水力直径在1 2 0 - - - 4 8 0 v m 之间，属于微尺 度范畴。 2 2 2 微尺度下流体流动特殊效应 在微尺度下，流体流动会出现一些特殊效应，具体表现在以下几点： ( 1 ) 、表面优势效应 随着微通道定性尺寸的减小，与尺寸的三次方成正比的体积力的影响开始 减弱，而与尺寸的二次方成正比的表面力的影响相应增强，相对比表面积增加， 这就是表面优势效应。以半径为l c m 的球形水滴为例，表2 - 1 列出了水滴分散为 较小尺寸时对应的表面积、比表面积和表面能大小，从表中可以看出，半径为 l c m 的水滴分散到l n m 后，表面积、表面积能以及比表面积均增加了1 0 7 倍，表 面力的作用将大大增强。 表2 - 1 不同半径大小水滴的表面积、比表面积和表面能嘲 正因为表面优势增强，与表面相关的一些流体力学参数将会发生改变。例 如，在宏观尺度下，流体的黏性、表面张力、壁面的吸附量等对流动的影响可忽 略不计，但在微通道流动中，这些参数对流动的影响加剧，不仅不可忽略，在某 些情况下，还起主导地位，如在平行放置的微管内，表面张力可以作为流体流动 的动力。 1 0 中南大学硕士学位论文第二章微散热器流体流动与传热特性研究方法的确立对于微散热器而言，由于表面积相对增大，传热接触面积也相对增大，进而使热传导速率加快，微散热器正是充分利用微尺度下出现的表面优势效应这一点，在很小空间实现高效散热。( 2 ) 微尺度效应研究发现1 5 川，微通道的定性尺寸小到一定程度后，会出现与常规尺寸不同的流动和传热现象，即“微尺度效应 。微尺度效应主要表现在两个方面：一、随着微通道尺寸的减小，与尺寸的三次方成正比的热惯性也显著减小，热惯性减小可以增加流体热传导速率，从而加快微散热器的散热效率；二、在微尺度下，流场中的一些梯度量增加，导致与梯度量相关的参数的作用加强，以速度梯度为例，随着定性尺寸减小，速度梯度增大，这对传热过程较为有利。正是由于尺寸微型化带来的一系列“微尺度效应”，使得微通道在传热换热领域具有广阔的应用前景。( 3 ) 不连续效应在流体流动过程中，可以利用克努森数k n 将流动状态依次分为连续、滑移、过渡和自由分子流等不同区域，克努森数k n = h l ，它与分子平均自由行程和定性尺寸相关，在微尺度流动中，定性尺寸l 较小，使k n 值偏大，导致流动出现滑移、过渡和自由分子流等不连续状态。例如，常温下，空气中分子平均自由行程入约为0 6 1 1x1 0 m m ，则定性尺寸为l m m 时，k n = o 6 1 1x1 0 4 l 时，理论上说，n u 数随r e 的增大而增大，n u 数的大小只与r e 有关，因此，对于本文所模拟的三组不同水 力直径的矩形流体通道微散热器而言，相同雷诺数对应的n u 数的理论预测值相 同，以n 0 0 3 微散热器的理论n u 数为代表，如表4 4 所示，将表中的理论预测 n u 值和数值模拟值相比较，就可分析水力直径对n u 数的影响。 表4 - 4 不同水力直径矩形流体通道压降的理论预算值 图4 6 为对流换热n u 数随雷诺数的变化曲线，从图中可以看出，随着雷诺 数的增大，理论预测和数值模拟的n u 数均增大，根据流体力学知识，我们知道， 湍流状态更适合流固对流换热，也就是说在湍流状态下n u 数是一直增加的，而 在前面对阻力系数的分析中可知，在微尺度下，流动状态由层流至湍流的临界雷 诺数比宏观尺度下的r e = 2 2 0 0 要大大提前，微散热器中工质很快可以充分发展为 湍流，因此，n u 数随雷诺数增加而增加。 从图4 - 6 中还可以得知，在同一雷诺数下，n u 数的模拟值都要大于理论预 测值，而且水力直径为0 1 2 m m 的微散热器的n u 数要大于其它两组的n u 数，这 点与理论预测相违背，从式( 3 2 8 ) 明显可以发现，理论n u 数只与雷诺数r e 正相关，水力直径虽然能影响r e 的值，但在速度未知的前提下，它不能直接影 响n u 数，分析认为，图中显示n u 数随水力直径的减小而增大，是由微尺度效 应所致，即在微尺度下，随着水力直径越小，微散热器中的对流传热得到强化。 一瞄理论豫剩值 + o韵0 i 鼬数梗报值 盘孝 一日一舯0 2l q u 氛檀撤值 二茹多莎岁 一争+ 一鼬0 3 妯梗报值 r 矿 能沪。 拶 沙 莎轳 矿 一 莎矿 0 5 0 0 1 咖1 5 2 0 0 0 2 5 0 0砌姗4 咖4 5 姗 雷诺数r e 图4 - b 不同水力直径下n u 数随r e 变化曲线 聒 日 巧 佰 加 0 o nn藿糊敬 中南大学硕士学位论文 第四章矩形流体通道微散热器内流体流动及传热特性数值模拟 4 3 本章小结 本章主要对矩形流体通道内流动与传热特性进行了数值模拟研究，分析了水 力直径对微散热器压降、阻力系数、速度梯度和压力梯度的影响，主要结论有： 1 ) 微散热器压降值随水力直径的减小而增大，对同一水力直径的微散热器， 压降的理论预测值和模拟值的总体变化趋势基本一致，只是压降的理论预测值要 大于模拟值。 2 ) 阻力系数均随着雷诺数的增大而减小；图中数据纵向比较可得，随着矩 形微通道水力直径减小，同一雷诺数对应阻力系数增大；本文模拟研究的三组矩 形微通道的临界雷诺数均远小于宏观尺度下临界雷诺数r e c = 2 3 0 0 ，而且水力直 径越小，临界雷诺数也越提前，当水力直径为0 1 2 m m 时，临界雷诺数为1 0 0 ， 当水力直径为0 3 8 m m 时，临界雷诺数增至3 6 0 。 3 ) 微散热器的速度梯度和压强梯度均随着雷诺数增大而增大。 4 ) 随着雷诺数的增大，理论预测和数值模拟的n u 数均增大，而且在同一雷 诺数下，n u 数的模拟值都要大于理论预测值，而且水力直径为0 1 2 m m 的微散热 器的n u 数要大于其它两组的n u 数。 3 9 中南大学硕士学位论文第五章微散热器流动与传热特性的实验研究 第五章微散热器流动与传热特性的实验研究 上一章对微散热器的流动和传热特性进行了数值研究，发现矩形流体通道 的水力直径对流动和传热有较大影响，本章在理论分析和数值模拟的基础上，对 微散热器开展实验研究。 5 1 实验平台的建立 5 1 1 实验平台总体方案 微散热器流动与传热特性实验平台如图5 1 所示，实验平台主要由动力系 统、加热系统、数据采集系统三部分组成。其中，动力系统由高压氮气瓶、减压 阀、精密调压阀、压力表、单向阀、恒温储液箱组成；加热系统由稳压电源、调 压器、功率表、电加热带、铜板组成；数据采集系统由温度传感器、压力传感器、 温度采集模块、电子天平、上位机组成，实验平台三个组成系统的详细设计见后 续部分，实验平台的实物图如5 2 所示。 本实验平台的主要工作流程为：首先调节加热部分的调压器，改变电加热带 的输入电压，直至功率表上达到所需要的加热功率，使微散热器有了稳定的热流 密度，再调节氮气瓶的出口压力，使工质在不同氮气压力的推动作用下，以不同 的速度流出恒温储液箱，经过过滤器以及针阀后，流至微散热器实验部分，通过 对流换热带走从铜板上吸收的热量，最后流至电子天平上的储液罐中，在流动过 程中，实时采集微散热器进出口工质温度、壁面温度和压力，用电子天平测出工 质的质量流量，换算求出微散热器内的平均速度。通过采集的速度、温度、压力 参数最后可以求出微散热器的阻力系数、压降、n u 数，得到相应的流动和传热 规律。 中南大学硕士学位论文 第五章微散热器流动与传热特性的实验研究 手 图5 1 微散热器实验系统简图 正 图5 2 微散热器买验总图 5 1 2 试验件 本实验平台的最终目的是测试微散热器内工质的的流动以及传热特性，微散 热器的矩形流体通道的材质为纯铝，由于纯铝的硬度低，矩形流体通道采用先进 的整体挤压工艺制成。微散热器转换接头的材质为硬铝，采用普通的机加工方法 制成，矩形流体通道和转换接头用钎焊连接。 由于需要测试水力直径对微散热器流动和传热的影响，试验件选取了不同尺 寸矩形流体通道，它们的实物图如图5 3 所示，它们的水力直径分别为0 1 2 r a m 、 0 2 4 m m 、0 4 8 m m ，长度都取3 0 m m ，这样与数值模拟的矩形流体通道尺寸相同， 可以在同一条件下对比分析，详细尺寸如表5 一l 所示。微散热器转换接头的材质 4 1 中南大学硕士学位论文第五章微散热器流动与传热特性的实验研究 为硬铝，采用普通的机加工方法制成，矩形流体通道和转换接头用钎焊连接。 圈 图5 - 3 矩形流体通道实物图图5 - 4 矩形流体通道尺寸描述 表5 - 1 不同截面形状流体通道的尺寸规格 5 1 3 动力系统 设计微散热器实验平台，首先解决的是工质流动的动力问题，由于微散热器 流体区域截面尺寸很小，即便工质流速很大，单位时间的流量也很小，如果采用 微泵提供动力，靠阀门开关的大小程度的来调节流速，这种方法理论上虽然可行， 但实施