（机械电子工程专业论文）典型等截面直微通道对流换热特性研究.pdf

摘要 随着电子设备向大功率、高密度、小型化的方向发展，电子器件功率密度不 断增长，电子设备散热问题越来越突出。微通道散热具有结构紧凑、易于工程实 现等优点，得到了研究者的广泛关注。但是现有微通道散热文献的实验结果与理 论研究结论不一致甚至相互矛盾，制约了微通道散热技术的进一步发展。因此对 微通道散热机理的研究尚有很大的空间，微通道散热技术成为研究热点。 本文对典型等截面直微通道的换热机理、分布式网络微通道的流动及换热特 性等进行了研究，主要工作如下： 基于流体在微通道内层流、充分发展、定常、连续、不可压缩、忽略质量力 的假设，对等截面直微通道三维连续方程、动量方程和能量方程进行了分析，获 得了圆形、缝隙和矩形微通道的流动简化控制方程及速度场表达式； 研究了考虑轴向热传导、速度滑移和温度跳跃的圆形微通道的热传导方程和 能量方程的求解问题。利用逆解法，构造了能量方程的一个特解。基于分离变量 法，得到了热传导方程的非奇异解。根据热源、流体平均温度、温度跳跃及能量 守恒等定解条件获得了待定系数，进而得到了定热流边界条件下的温度场和平均 努塞尔数的计算表达式。分析了平均努塞尔数随速度滑移系数、管长和雷诺数的 变化规律。 基于分析法对考虑粘度耗散、轴向热传导、速度滑移和温度跳跃的圆形微通 道的强迫对流换热问题进行了研究，推导得到了圆形微通道定壁温条件下的完备 解，通过温度跳跃边界条件得到了本征值；基于斯特姆刘维本征值问题，获得了 待定系数；推导出了温度场和努塞尔数的计算表达式。仿真分析了努塞尔数与布 林克曼准数、贝克莱数、速度滑移系数和温度跳跃系数的关系，结果表明：努塞 尔数与布林克曼准数有关。当壁面温度与流体平均温度之差为零时，努塞尔数奇 异；努塞尔数随贝克莱数的增大而增大，轴向热传导的影响随贝克莱数的增大而 减小。 基于温度跳跃边界假设，通过构造入口流体函数得到了温度跳跃系数的计算 式，为分析温度跳跃与努塞尔数的关系奠定了基础。 通过对能量方程进行管截面积分，推导得到了平均努塞尔数的计算式。针对 工程应用，分析了轴向热传导和粘度耗散对微通道换热性能的影响。仿真结果表 明：当贝克莱数大于l o ，可忽略轴向热传导；当贝克莱数小于l o ，轴向距离与圆 形微通道的比值小于o 1 ，需考虑轴向热传导的影响；当贝克莱数为1 0 6 时，其粘 度耗散对换热的影响极大，不可忽视；而当贝克莱数为l o 时，粘度耗散对换热影 响极小。贝克莱数相同时，不同工质的流体的耗散热不同。 在相同对流换热面积、相同工质情况下，按照相同流量、相同压力、相同功 率三种工况，对宏观管道和微管道的换热能力进行了对比和评价。 基于分离变量法求解了缝隙微通道的能量方程，得到了缝隙微通道温度场的 级数解。在此基础上，根据温度跳跃边界条件求解得到了本征值，根据斯特姆一刘 维本征值性质，获得了对称热边界条件下的待定系数，推导出了温度场和努塞尔 数的计算表达式。分析了努塞尔数与布林克曼准数、贝克莱数、速度滑移系数和 温度跳跃系数的关系。 基于分离变量法获得了非对称热边界条件下缝隙微通道能量方程的级数解， 根据温度跳跃边界条件求解得到了本征值，并根据定解条件得到了待定系数，推 导出了温度场和上、下壁面努塞尔数的计算表达式，分析了努塞尔数随轴向坐标 的变化规律，结果表明：轴向坐标趋于无穷大，上、下壁面的努塞尔数数趋于一 致；在某轴向位置，由于下壁面温度与流体平均温度之差为零，下壁面的努塞尔 数奇异。 基于能量守恒方程，推导了单个缝隙和圆形微通道的热量平衡方程；再根据 网络图论，推导了分布式网络微通道的热量平衡方程；针对工程案例进行了温度 场仿真，并通过有限元软件的分析结果，对本文仿真结果的正确性进行了验证。 通过实验对分布式网络微通道的温度场计算式进行了验证：推导了分布式网 络微通道的流量平衡方程，计算了实验系统的压降和流量；进行了分布式网络微 通道实验，对实验结果进行了分析；对实验系统的温度场进行了仿真，通过与实 验数据进行对比，验证了理论推导的正确性。 关键词：圆形微通道缝隙微通道轴向热传导入口效应粘度耗散努塞尔数 速度滑移温度跳跃分布式网络微通道 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i cd e v i c e st oh i g hp o w e r , h i g hd e n s i t ya n d m i n i a t u r i z a t i o na n dt h ec o n t i n u i n gg r o w t ho fi t sp o w e rd e n s i t y , t h eh e a tm a n a g e m e n to f e l e c t r o n i ce q u i p m e n ti sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ep r o m i n e n t m i c r o c h a n n e lc o o l i n g ， w h i c hh a sm a n yb e n e f i t ss u c ha sc o m p a c ts t r u c t u r ea n de a s yf o ra p p l i c a t i o n , i so b t a i n e d r e s e a r c h e r se x t e n s i v ea t t e n t i o n h o w e v e r , t h ee x p e r i m e n t sr e s u l t sa v a i l a b l ea r ed i s a g r e e w i t ha n de v e ni nc o n t r a d i c t i o nw i t ht h e o r yc o n c l u s i o n sw h i c hl i m i tt h et e c h n i q u et o f u r t h e rd e v e l o p m e n t t h e r e f o r e t h em e c h a n i s mo fm i c r o c h a n n e lc o o l i n gi ss t i ua ti t s e a r l yr e s e a r c hs t a g ea n db e c o m e sah o t s p o t t h es t u d yi sc o n d u c t e do nh e a tt r a n s f e ro ft y p i c a lu n i f o r m - - s t r a i g h t - - s e c t i o n m i c r o c h a n n e la n dd i s t r i b u t e dm i c r o c h a n n e ln e t w o r k t h ef o l l o w i n gt o p i c si ss t u d i e d ： b a s e do nt h ea s s u m p t i o no fl a m i n a rf l o w , f u l l yd e v e l o p e d ，s t e a d y , c o n t i n u o u s ， i n c o m p r e s s i b l ea n dn e g l e c to fm a s sf o r c e t i l r e e d i m e n s i o ne q u a t i o n so fc o n t i n u i t y , m o m e n t u ma n de n e r g yo ft y p i c a lu n i f o r m s t r a i g h t s e c t i o nm i c r o - c h a n n e la r es i m p l i f i e d t h ev e l o c i t ye x p r e s s i o n so fc i r c u l a r , p l a n e - p a r a l l e la n dr e c t a n g u l a rm i c r o - c h a n n e la r e a c h i e v e d t h eh e a tc o n d u c t i o na n de n e r g ye q u a t i o no fc i r c u l a rm i c r o c h a n n e l ，w h i c hc o n s i d e r a x i a lh e a tc o n d u c t i o n ，v e l o c i t ys l i pa n dt e m p e r a t u r ej u m p ，h a sb e e ns t u d i e d ap a r t i c u l a r s o l u t i o no ft h ee n e r g ye q u a t i o na n dan o n s i n g u l a rs o l u t i o no fh e a tc o n d u c t i o ne q u a t i o n a r eo b t a i n e db ym e a n so fc o u n t e rs o l u t i o n t h eu n d e t e r m i n e dc o e f f i c i e n t sa r eo b t a i n e d b a s e do nt h eh e a ts o u r c e , b u l kt e m p e r a t u r e ，t e m p e r a t u r ej u m pa n de n e r g yc o n s e r v a t i o n t h e nt h ea v e r a g en u s s e l tn u m b e ra n dt e m p e r a t u r ef i e l de x p r e s s i o na r ea c h i e v e du n d e r u n i f o r mh e a tf l u xb o u n d a r yc o n d i t i o n t h el a wo ft h ev a r i a t i o no fa v e r a g en u s s e l t n u m b e rw i t hv e l o c i t ys l i pc o e m c i e n t 1 e n g t ha n dr e y n o l d sn u m b e ra r ec o n c l u d e d t h ep r o b l e mo ff o r c e dc o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e ro fc i r c u l a rm i c r o - c h a n n e l w h i c h c o n s i d e r sv i s c o s i t yd i s s i p a t i o n ，a x i a lh e a tc o n d u c t i o n , v e l o c i t ys l i pa n dt e m p e r a t u r e j u m p ，i sa n a l y z e d f i r s t l y , t h ec o m p l e t es o l u t i o ni sd e r i v e du n d e rt h ec o n s t a n tw a l l t e m p e r a t u r e c o n d i t i o n s e c o n d l y , t h ee i g e n v a l u e sa r eo b t a i n e da c c o r d i n gt o t e m p e r a t u r ei u m pb o u n d a r y t h i r d l y , t h eu n d e t e r m i n e dt o e 伍c i e n ti so b t a i n e db a s e do n t h es t u r m l i o u v i l l eo r t h o g o n a l i t yr e l a t i o n l a s t l y , t h ee x p r e s s i o no ft e m p e r a t u r ef i e l d a n dn u s s e l tn u m b e ra r ed e r i v e d t h ev a r i a t i o no ft h en u s s e l tn u m b e rw i t hb r n u m b e r , p cn u m b e r , v e l o c i t ys l i pc o e f f i c i e n ta n dt e m p e r a t u r ej u m pc o e f f i c i e n ti sg i v e n t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tn u s s e l tn u m b e ri sr e l a t e dt ob rn u m b e r m e nt h e d i f f e r e n c eo ft h ew a l lt e m p e r a t u r ea n db u l kt e m p e r a t u r ei sz e r o ，t h en u s s e l tn u m b e ri s s i n g u l a r n u s s e l tn u m b e ri n c r e a s e sw i t l lp en u m b e ra n dt h ee f f e c to fa x i a lh e a t c o n d u c t i o nd e c r e a s e sw i t hp en u m b e r b a s e do nt h ea s s u m p t i o no ft e m p e r a t u r ej u m p ，t h et e m p e r a t u r ej u m pc o e 街c i e n t sa r e o b t a i n e db yt h ef u n c t i o no fe n t r a n c ef l u i dt e m p e r a t u r e , w h i c hs e t su pt h ef o u n d a t i o nf o r t h ea n a l y s i so fr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt e m p e r a t u r ej u m pa n dn u s s e l tn u m b e r t h ea v e r a g en u s s e l tn u m b e rw a sd e r i v e db yi n t e g r a t i o no fc r o s s - s e c t i o nf o rt h e e n e r g ye q u a t i o n t h ee f f e c to fa x i a lh e a tc o n d u c t i o na n dv i s c o s i t yd i s s i p a t i o no nt h e m i c r o - c h a n n e lh e a tt r a n s f e ri s a n a l y z e di ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o i l s t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a ta x i a lh e a tc o n d u c t i o nc a nb en e g l e c t e dw h e nt h ep en u m b e ri sg r e a t e r t h a n10w h i l ei tn e e dt ob ec o n s i d e r e dw h e np en u m b e ri sl e s st h a n10a n dt h er a t i oo f t h ea x i a ld i s t a n c ea n dr a d i u so fc i r c u l a rm i c r o c h a n n e li sl e s st h a n0 1 t h ee f f e c to f v i s c o s i t yd i s s i p a t i o ni ss i g n i f i c a n tw h e nt h ep en u m b e ri s1 矿h o w e v e r , i th a sl i t t l e e f f e c tw h e np en u m b e ri sl e s st h a n10 t h ev i s c o s i t yd i s s i p a t i o nv a r i e sw i t hd i f f e r e n t f l u i d u n d e rt h es a m ea r e aa n df l u i d ，t h eh e a tt r a n s f e ro fm a c r o c h a n n e la n dm i c r o c h a n n e l i sc o m p a r e da n de s t i m a t e do nt h r e ec a s e so fs a l t l ep r e s s u r e ，s a m ef l o wr a t ea n ds a m e p o w e r t h ee n e r g ye q u a t i o no fp l a n e p a r a l l e lm i c r o c h a n n e lu n d e rt h es y m m e t r i c a lt h e r m a l b o u n d a r yc o n d i t i o n si ss o l v e db ys e p a r a t i o no fv a r i a b l e s ，t h e nt h es e r i e ss o l u t i o ni sa l s o o b t a i n e d 1 1 1 ee i g e n v a l u e sa r eo b t a i n e da c c o r d i n gt ot e m p e r a t u r ej u m pb o u n d a r y c o n d i t i o n sa n dt h eu n d e t e r m i n e dc o e 伍c i e n t sa r ea c h i e v e d t h e nt h ee x p r e s s i o no f t e m p e r a t u r ef i e l da n dn u s s e l tn u m b e ra r ed e d u c e d 1 1 1 ev a r i a t i o no ft h en u s s e l tn u m b e r w i t hb rn u m b e r , p en u m b e r , v e l o c i t ys l i pc o e f f i c i e n ta n dt e m p e r a t u r ej u m pc o e f f i c i e n ti s a l s og i v e n t h ee n e r g ye q u a t i o no fp l a n e - p a r a l l e lm i c r o - c h a n n e lu n d e ra s y m m e t r i ct h e r m a l b o u n d a r yi ss o l v e db ys e p a r a t i o no fv a r i a b l e s t h e nt h ec o m p l e t es o l u t i o ni sd e r i v e d 砀ee i g e n v a l u e sa r es o l v e db yt h et e m p e r a t u r ej u m pc o n d i t i o n 劢et e m p e r a t u r ea n d n u s s e l tn u m b e re x p r e s s i o n so ft h et o pa n db o t t o mw a l la r ed e d u c e d t h ev a r i a t i o no f n u s s e l tn u m b e rw i t ha x i a lc o o r d i n a t ei sa n a l y z e d i ti ss h o w nt h a tn u s s e l tn u m b e ro f t h et o pa n db o t t o mw a l lt e n dt ob ec o i n c i d e n tw h e na x i a lc o o r d i n a t eb e c o m e si n f i i l i t e t h en u s s e l tn u m b e ro ft h eb o t t o mw a l li ss i n g u l a rw h e nt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nb u l k t e m p e r a t u r ea n dt e m p e r a t u r eo f b o t t o mw a l l i sz e r o b a s e do nt h ee n e r g yc o n v e r s a t i o ne q u a t i o n ，t h eh e a te q u i l i b r i u me q u a t i o n so ft h e p l a t em i c r o - c h a n n e la n dc i r c u l a rm i c r o c h a n n e la r ed e r i v e d t h e nt h eh e a te q u i l i b r i u m e q u a t i o no ft h ed i s t r i b u t e dm i c r o - c h a n n e ln e t w o r ki sd e d u c e da c c o r d i n gt ot h eg r a p h t h e o r y 1 1 1 et e m p e r a t u r ef i e l ds i m u l a t i o no fp r o j e c tc a s ei sp e r f o r m e db yf e mm e t h o d t h es i m u l a t i o nr e s u l t so ft h i sa r t i c l ei sv e r i f i e db yt h ef e mr e s u l t s t h ee x p r e s s i o no ft e m p e r a t u r ef i e l do fd i s t r i b u t e dm i c r o c h a n n e ln e t w o r ki sv a l i d a t e d b ye x p e r i m e n t b a s e do nt h ef l o we q u i l i b r i u me q u a t i o no fp l a n e - p a r a l l e la n dc i r c u l a r m i c r o - c h a n n e l ，t h ep r e s s u r ed r o pa n df l o wr a t eo ft h ee x p e r i m e n ts y s t e mi sa c h i e v e d a e x p e r i m e n to ft h ed i s t r i b u t e dm i c r o c h a n n e ln e t w o r ki sp e r f o r m e da n dt h er e s u l t sa r e a n a l y z e d as i m u l a t i o no ft h ee x p e r i m e n ti sa l s od o n ea n dt h ec o r r e c t n e s so ft h e t h e o r e t i c a la n a l y s i si sv e r i f i e db yc o m p a r i n g t e m p e r a t u r ed a t ao fe x p e r i m e n tw i t ht h a to f s i m u l a t i o n k e y w o r d s ：c i r c u l a rm i c r o - c h a n n e lp l a n e - p a r a l l e lm i c r o - c h a n n e l a x i a lh e a tc o n d u c t i o ne n t r a n c ee f f e c t v i s c o u sd i s s i p a t i o n n u s s e l tn u m b e r v e l o c i t ys l i pt e m p e r a t u r ej u m p d i s t r i b u t e dm i c r o - c h a n n e ln e t w o r k 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注 和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果； 也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明 并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：趣l 煌硷 日期丝垃! 亟：墨 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期 第一章绪论 第一章绪论 1 1 电子产品的散热问题及其现状 近年来，电子产品的迅速发展，尤其是大功率、高密度和小型化的发展趋势， 使得电子产品的散热问题变得越来越突出，主要表现在以下方面： 1 ) 电子产品功率的不断增大是导致散热问题的根本原因。以激光二极管【l 】 为例：大功率激光二极管在固体激光器、直接材料处理和医药手术中广泛应用， 目前激光二极管的光能输出可以达到1 0 0 瓦，实际最大电流为1 0 0 a ，产生的能量 中仅有3 0 到5 0 变为光能，其余则变为热能，这些热能需要通过散热系统散发， 导致器件表面的最大热流密度超过3 0 0 0 w c m 2 。又如军事电子设备中大量使用的 微波功率器件和绝缘栅双极型功率管模块( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a r t r a n s i s t o r ，i g b t ) ， 其热流密度同样非常惊人瞳叼1 。据美国海军研究机构统计，目前发射和接收( t 瓜) 组件的最大功率密度超过5 0 0 w c m 2 ，预计在不久的将来t r 组件的功率密度有可 能突破1 0 0 0 w c m 2 ，而远期目标有可能达到8 0 0 0 w c m 2 。 2 ) 高密度、小型化的需求使得电子产品的散热问题更加突出。由于市场竞争 的日益激烈，电子产品在不断向结构紧凑、重量轻、外观轻巧的方向发展。中科 院正在研制的某超级计算机，机箱尺寸仅为6 0 0 x 4 2 6 x1 7 1 r n m ，而内部安装的器 件发热功率高达7 0 0 w ，导致器件的功率密度不断上升，芯片、p c b 板和机箱的安 装密度越来越高。以计算机芯片为例，如果仍根据著名的摩尔定律【4 】，集成电路芯 片上元件数目每隔1 8 个月就翻一番。芯片上的集成电路不断的增加，导致功率密 度不断增加。文献【5 】对芯片的发展趋势进行了研究( 图1 1 ) 。图1 1 表明：在2 0 0 1 年至2 0 0 9 ，芯片功率密度呈指数趋势发展，大约每三年增长一倍。2 0 0 9 年末芯片 的功率密度超过2 0 0 w e r a 2 。超级计算机的组装密度也非常高哺h ：i b m 公司于2 0 世纪9 0 年代初推出的超级计算机e s 9 0 0 0 基板的总布线层数达6 5 层，集成6 8 0 0 2 0 个电路，输入输出端口( i o ) 数达2 7 7 2 。c r y a 公司推出的大型并行计算机系统s “l 采用了多芯片组件( m u l t i c h i pm o d u l e ，简称m c m ) 技术，其模块大小为7 2 x 7 2 n u n ，组装了约1 0 0 个器件，包括4 个c p u 和4 个缓冲( c a c h e ) 芯片。 3 ) 传统的散热技术已经无法满足电子设备的发展需求。传统的电子产品散热 方式有自然冷却、强迫气冷和液冷口1 。其中：自然冷却的散热功率密度达到 0 1 w c m 2 ，强迫风冷的散热功率密度达到1 至1 5 w c m 2 。据资料介绍陋3 ，超过 5 5 9 6 的电子器件失效都是由于温度过高导致的。因此，电子设备散热问题非常突出， 成为制约电子设备性能提升的关键技术之一。 典型等截面直微通道对流换熟特性研究 卢 i = f 一 2 0 0 i2 0 0 5 2 0 1 年) 图l1 芯片功率密度的增长趋势图 女* j t8t x r f i t f 图1 上不同冷却方式教热能力对比 电子产品大功率、高密度、小型化的发展趋势使得新散热技术研究变得越来 越迫切。近年来，出现了一些散热新技术，包括大容器沸腾、射流冲击、微通道、 喷雾和降膜等。新的散热技术极大地提高了电子设备的敝热能力。图1 2 是不同冷 却方式散热能力的对比。 大容器沸腾( p o o l b o i l i n g ) 的一般结构如图1 3 所示。冷却系统主要由冷凝器、 容器和冷却剂组成。器件被浸没在容器内冷却剂中，1 ：作产生的热使得冷却剂沸 腾，气态的冷却剂在浮升力作用下进入容器上部区域，被冷凝器冷凝后再网流到 容器中。 图13 多芯片亢骞器沸腾冷却结构 图1 3 所示大容器结构正常工作需满足两个条件： ( 1 ) 冷却剂沸点低于器件极限工作温度。由于器件散热的主要途径是冷却剂沸 腾带走的热量，因此必须在器件温度达到极限工作温度前使冷却剂沸腾： ( 2 ) 器件热流密度要低于临界热流密度。冷却荆沸腾后，如果器件散热的热流 邶 瑚 枷 啪 m o 第一章绪论 密度过大，超过临界热流密度，其周围被气态冷却剂所包围，冷却剂进入稳定模 态沸腾，导致器件温度急剧上升，使器件烧坏。 普渡大学的m u d a w a r 和a n d e r s o n 9 】对提高大容器冷却性能进行了研究，其研究 表明通过改变芯片表面形貌，可使使冷却剂温度低于沸点及增加冷却剂的压力。 刘启斌【1 2 1 对氟利昂r 2 2 在蒸发温度为9 6 和5 8 时的水平单管外的大容器沸 腾换热性能进行了试验研究，试验管为两种双侧高效强化管。试验结果表明：两 种强化管的管内对流换热系数是光管的2 5 3 倍。 上海交通大学的张荣华等人【1 3 】，针对倾斜下表面的沸腾换热可模拟球形下表 面的沸腾换热，进行了大气压力下倾斜下表面的过冷池沸腾换热实验，并对不同 倾斜角度下的沸腾换热进行了观察和测量。结果表明，倾斜角对换热系数的影响 仅在小倾斜角时较大。并给出了不同倾斜角下换热系数和热流密度的拟合关系式， 从而对用于压水堆堆芯熔化时压力容器非能动保护提供指导。 此外，b e r g l e s 和c h y u t l o l ，m a r t o 和l e p e r e 1 等人对提高大容器冷却性能进行 了研究。 射流冲击冷却技术( j e ti m p i n g e m e n t ) 分为淹没射流( s u b m e r g e dj e t s ) 和自由 表面( f r e es u r f a c ej e t s ) 两种。 射流冲击沸腾换热的基本结构n 钔如图1 4 所示，系统由喷嘴、热源、冷却剂、 换热器、泵和箱体组成。其基本原理是：箱体内的冷却液在泵的作用下通过喷嘴喷 出并冲击器件，器件的热量使冲击在其上面的冷却剂沸腾汽化，汽化的冷却剂变 成蒸汽进入换热器，冷凝后变为液态冷却剂，再回流入冷却剂箱内。 泵 水箱 冷凝 换热器 图1 4 射流冲击冷却示意图 洛克威尔公司的b h u n i a 和b o u t r o s 掣1 4 l 对液体射流冲击进行了实验研究，其 研究表明增大系统压力和流量能够提高换热性能，使喷射器件表面的温度更低。 对比了液态冷却剂和空气冷却剂的射流冲击换热效果，得到了液体换热效果更好 4 典型等截面直微通道对流换热特性研究 的结论。 南京航空航天大学余业珍、张靖周掣1 5 】对涡激励突片的单排圆形射流冲击冷 却特性进行了实验研究，研究重点为突片堵塞比、突片形状和突片安装角度对冲 击换热特性的影响。结果表明：突片的几何形状及安装角对射流冲击换热有较显 著的影响，给出了对突片的结构设计。 西安交通大学冷浩n 们等对圆形自由表面水射流冲击换热特性进行了研究，总 结了喷距、射流出口速度以及相变等因素和形成机理对换热的影响，得到了驻点 传热系数以及局部传热系数沿径向分布的关联式。 四川大学田忠n 刀对高速射流最大冲击压强的衰减规律进行了研究，得到以下 结论：高速淹没射流形成的底板冲击压强( 无量纲数) 与射流流程( 无量纲数) 存在直线关系，当射流流程大于水舌厚度8 0 倍后，淹没射流产生的冲击压强可以 忽略。 美国佛罗里达中央大学c h o w 和s e h m b e y l l 8 1 等人的喷雾冷却的基本结构如图 1 5 所示。冷却系统由冷却剂、喷嘴接头、泵和冷凝器组成。在泵的作用下冷却剂 被输送到喷嘴接头，管嘴接头喷出微小液滴到器件表面上，在热源表面形成一层 冷却液薄膜，雾滴对液膜产生一定的扰动并使得液膜能够产生比大容器冷却更多 的气泡，依靠液膜的蒸发、对流、雾滴的撞击和液膜内气泡的生长、运动、破裂 等相变过程带走热源表面的热量。汽化的冷却剂和流出的液体被冷凝器冷凝后回 流到容器中。喷雾冷却具有冷却器体积小、冷却剂流速低、换热系数高、需要的 冷却剂少、泵功率要求低等优点。 泵 图1 5 喷雾冷却示意图 c h o w 和s e h m b e y l l 8 1 对大容器冷却和喷雾冷却效率进行了对比，发现喷雾冷 却效果显著好于大容器冷却冷却效果要好的多。 喷雾冷却以其极高的换热效率，早在上世纪就应用到了冶金行业，随后有被 应用到电子器件的冷却以及医疗激光手术皮肤的冷却等方面。目前，喷雾冷却技 第一章绪论 术已经广泛应用到电子芯片的冷却 1 9 j 、金属切削嗍、高级激光器件功率开关口1 1 以 及电子设备等阎领域。 工程上选用电子器件的散热方式时，还需要权衡工程的可实现性及经济性。 上述新型换热方式虽然具备高的换热能力。但在工程上实用时，都存在一些问题， 例如：大容器沸腾换热将器件与冷却剂直接接触，因此纯热与防渗漏是其主要难 点；射流冲击和喷雾冷却需要构建复杂的管路系统及喷射结构，体积大、实现困 难、花费大。 微通道换热技术是近年来产生豹一种新型换热方式，与其他换热方式相比， 微通道结构既具有优良的散热性能，热阻小、换热系数丈，又具备良好的工程应 用前景，实现简单、体积小、成本低。 本文主要针对微通道换热展开研究。 1 2 微通道换热研究现状 l 2 1 徽通道换热基本原理 微通道换热是一种重要的新型散热技术。二十世纪八十年代，t u c k v r m a i l 和 p e a s 扩”用水作为流体进行了微通道强迫对流换热实验，其研究表明微通道换热能 力达到7 9 0 w d n 2 。如此高的换热能力，引起了国内外许多学者的广泛关注。 擞通道换热的基本思想圈1 6 所示：在电子芯片上放置一个换热器，其尺寸在 l m m 以下；在散热器顶部盖上盖板，形成锚小通道；然后在泵或风扇的作用下驱 动通道内的流体流动，带走芯片热量，选到散热的目的。 舫片高l 上 上蜘 一一助片 + lk l 一馘 肋片宽肋片问距 图l 6 微通道结构示意圈 本节将对影响微通道换热性能的结构因素包括截面形状、尺寸、系统循环方 式和压力方式及换热机理等研究内容进行简要介绍。 典型等截面直微通道对流抉热特性研究 常见的微通道按照截面不同可分为矩形、三角形、梯形、圆形、v 形微通道、 六边形、缝隙、t 形等多种微通道。l - h nb i n 等人口1 研究的v 型微通道结构如图 l7 ( 的所示，s o u l a g e s 等人渊研究的t 形微通道结构如图17 ( b ) 所示，c e l a t a 等人o ” 研究的圆形微通道结构如图l7 ( c ) 所示。 嗣圈_ 嘞t 型镀通道结构 ( a ) v 形锾通道 ( c ) 圆形微通道结构 圈17 常见的微通道结构 v 形和t 形微通道具有1 3 0 l 热阻低、流量低、效率高和体积小的优点。目前对 v 型和t 型微通道的对流换热研究主要采用实验和数值分析的方法，因为其结构 复杂，利用分析法求解存在数学上的困难， 微通道冷却系统循环方式分为两种；闭环循环方式和开环循环方式。 典型的开环循环方式如图1 8 所示其工作原理为：流体在微泵的作用下，流 入微通道，热源壁面与微通道紧密相贴，通过壁面与流体的对流换热带走热量。 开环循环的特点是需要人工给蓄水池中补充冷却液。 图1 8 典型的开环徽通道冷却装置 。 第一章绪论 7 闭环循环方式如图1 9 所示，其工作原理是：流体在微泵的作用下，流入微通 道，热源通过热传导将热量传递给微通道通，微通道中的流体通过强迫对流方式 带走热量。加热的流体通过散热设备( 冷凝器) 降温，最后再回流到蓄水池中。 闭环循环方式特点是不用人工给蓄水池中不断加水。 图1 9 典型的闭环微通道冷却装置 1 2 2 微通道对流换热研究方法 按照建模方法的不同，流体换热理论可以划分为两大类【3 1 1 ，如图1 1 0 所示： 一类是将流体当作连续不可分介质的连续模型。这类方法基于能量守恒定理和流 体连续性假设，建立关于流体空间点速度、密度和压力等变量的偏微分方程组， 包括e u l e r 方程、n a v i e r - s t o k e s ( n s ) 方程和b u r n e e t 方程，绝大部分的宏观流体 力学问题可以采用此模型来解决，但系统不能离热平衡状态太远；另一类是将流 体直观的视为分子集合的分子模型。可分为确定方法和统计学方法。前者主要指 分子的动力学方法( m o l e c u l a rd y n a m i c s ，m d ) ；后者包括直接模拟蒙特卡罗方法 ( d i r e c ts i m u l a t i o nm o n t ec a r l o ，d s m c ) 和波尔兹曼方程( b o l t z m a n ne u a t i o n ) 。 图1 1 0 流体换热的基本研究方法 典型等截面直微通道对流换热特性研究 对于宏观流体而言，最为成熟的计算模型是连续介质模型。基于连续介质理 论，人们开发了多种流体有限元分析软件，例如c f x 和i c e p a k 等。这些商品化软 件可以对流体的速度、温度和压力等进行准确分析和预测。由于计算能力的限制， 在宏观流体的换热计算中，一般不采用基于粒子的模型。 但是对于微流体而言，由于尺寸效应的影响，成熟的经典流体换热理论对其 不再适用。大量实验表明，微流体换热实验性能与经典理论的计算值之间存在较 大偏差。为此采用两种途径来解决问题，一是采用基于粒子的模型。这种方法一 般在流体介质非常稀薄，流体完全呈现离散化特性的情况下使用；二是对连续介 质模型进行修正，将被经典理论忽略的因素纳入到研究范围，考虑速度滑移、温 度跳跃、轴向热传导等特性。这种方法一般在流体介质比较稀薄或流动尺寸小的 情况下使用。 1 2 2 1