（机械设计及理论专业论文）细通道单相流动和传热特性的研究.pdf

孛文摘要 i i i i ii ii i i i i i i i ii ii i 揍要 微樾道式散热器以其良好的散热性能已被广泛的应用于微电子元件的散热过 程，零文黻鼗毫予嚣黪教爨为鹜袋，采爰c f d 数篷摸蘩方法，采震交物瞧秘滚霾 共轭传热求解技术，辩细通道的流动及换热进行了研究。 本文主要通过实验和数值模拟手段，研究了矩形细通道的长径比、当擞赢径、 毫宽魄凝魏骧率鼹茭滚麓传热数彰稳筑箨。绪莱袭鞠，先了溪豫入叠段赘彩确， 细通道的计算模型成满足长径比7 0 ；随着当鬣赢径的减小，光滑矩形细通道的 阻力系数增大，传热健能不断增强鼠当量直径的变化对层流向紊流的转变不起作 用；隧麓慈宽眈的增大，纲矩形逶遂的转换雷诺数随之增大镶小予2 3 0 0 ，阕鞋阻 力和传煞性能氇醚之增强；缒着乳涨率的增麴，细矩形通道的阻力特性不变，传 热性能增强。 以三斑形和矩形魏龌糙元，避避采鼹c f d 数傻模羧，磷究了粗糙元的形状、 高度、谗列方式、瀚鼯对二维平投续通道滚动霸传燕的影礁筑律。疆糙元i 瞒度对 平板细通道充分发展流动入口段长度有着重要的影响；租糙冗的形状及不同粗糙 元组合及排列方式对甲板细通道的流动和传热有着重要影响，屐三角形粗糙元的 疆秀毙矩形毽糙元要文，簧热毪笺聂角形耀疆嚣笼矩形整耱嚣鎏磐；隧惹邃瘦夔 增加，平扳细通道的传热将逐渐增强，但其热充分发展段的入口段长度将逐渐变 小，平扳细通道的阻力逐渐增大，层流向紊流转变的转捩雷诺数提前，且相对粗 糙度必l 时已经镛离零燕的理论馕，冠时其传热特性将逐灏增强；随着糕糙元 高宽魄豹增加胃甥嚣增加透道静黻力并增强传热；随着褪糙惩闯距豹增大，平行 平板细通道的阻力和传热性能逐渐下降 通过c f d 数值模拟研究了细邋道不同截面形状对其流动特性、传热特性及强 往传熬特毪浆蔑簿。在稳嚣赘当爨痰径条终下，躅形逶道戆瓣力最大，菱方形截 面的通道阻力性能最小；矩形( 高宽比为1 0 ) 的传热性能最好，圆形的传热性能 最差。 建亵了筵形鬃逶遂滚动传熬戆实验台，嚣发7 不锈镶释紫铜绥逶遘羧热元 件。研究了加热功率和通道材质对细通道流动和传燕的影响。本论文较系统地研 究了细通道内流动及对流换热规律，对工程实际县有重要的指导意义 关键谲；徽电子冷鞠，缀通道，e 瀚，数篷模攒，共轭传熬，交耪往 荚文摘要 a b s t r a c t m i c r o c h a n n e lh e a te x c h a n g e r sa r ew i d e l ya p p l i e d 遮t h em i c r o - e l e c t r o n i c s c o o l i n gf o rt h e i re x c e l l e n th e a td i s s i p a t i o na b i l i t y i nt h i st h e s i st h ef l o wa n dh e a t t r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so fm i n i - c h a n n e l sh a db e e n i n v e s t i g a t e db yu s i n g c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) m e t h o d s ，v a r i a b l ef l u i dp r o p e r t i e sa n df l u i d - s o l i d c o n j u g a t eh e a tt r a n s f e rt e c h n o l o g i e so nt h eb a c k g r o u n do f m i r o - e l e c t r o n i c sc o o l i n g 田艟e f f e c to ft h er a t i oo fl e n g t hl 。h y d r a u l i cd i a m e t e r , h y d r a u l i cd i a m e t e r , t h e a s p e c tr a t i oa n dp o r o u sr a t i oo nf l o wa n dh e a tt r a n s f e ro fr e c t a n g u l a rm i n i - c h a n n e l s h a db e e ni n v e s t i g a t e db yu s i n gn u m e r i c a lm e t h o d sa n de x p e r i m e n t 。韵艟r e s u l t s i n d i c a t e d ：t oe l i m i n a t et h ee n t r a n c ee f f e c t st h er a t i oo fl e n g t ht oh y d r a u l i cd i a m e t e r s h o u l dn o tl e s st h a n7 0 ；w i t ht h ed e c r e a s eo fh y d r a u l i cd i a m e t e r , t h er e s i s t a n c e c o e 越c i e n ti n c r e a s e da n dh e a tt r a n s f e re n h a n c e da c c o r d i n g l y , a d d i t i o n a l l yt h ed i a m e t e r h a dn oe f f e c to nt h et r a n s i t i o no fl a m i n a rf l o wt ot u r b u l e n c e ；w i t ht h ei n c r c a s oo f a s p e c tr a t i o n , t h er e y n o l d sn u m b e ro ft r a n s i t i o ni n c r e a s e da c c o r d i n g l yb u tl e s st h a n 2 3 0 0 ，a tt h es a m et i m ef l o wr e s i s t a n c ea n dh e a tt r a n s f e re n h a n c e da c c o r d i n g l y ；w i t ht h e i n c r e a s eo f p o r o u sr a t i o ，t h ef l o wr e s i s t a n c eo f m i n i - c h a n n e lw o u l dn o tc h a n g ea n dh e a t t r a n s f e ro f t h a te n h a n c e da p p a r e n t l y t h ee f f e c to f s h a p e ，h e i g h t ，c o l l o c a t i o nm o d ea n ds p a c eb e t w e e no f r o u g h n e s sc e l l o nf l o wa n dh e a tt r a n s f e ro f2 - dp a r a l l e lf l a tm i n i - c h a n n e lh a db e e ni n v e s t i g a t e db y u s i n gc f dn u m e r i c a lm e t h o d sw i t ht r i a n g l ea n dr e c t a n g l ea sr o u g h n e s sc e l l t h e h e i g h to f r o u g l m e s sh a dai m p o r t a n te f f e c to nf l o wa n d h e a tt r a n s f e ro f 2 dp a r a l l e lf l a t m i n i - c h a n n e l ；t h es h a p ea n dc o l l o c a t i o nm o d eo fr o u g h n e s sc e l la l s oh a di m p o r t a n t e f f e c to nt h a to f2 - dp a r a l l e lf l a tm i n i c h a n n e l ，t h ef l o wr e s i s t a n c eo ft r i a n g l ew a s l a r g e rt h a nt h a to fr e c t a n g l e , t h eh e a tt r a n s f e ro ft r i a n g l ew a sb e t t e rt h a nt h a to f r e c t a n g l et o o ；w i t ht h ei n c r e a s eo fv e l o c i t y , t h eh e a tt r a n s f e rh a db e e ne n h a n c e d ， h o w e v e rt h ee n t r a n c el e n g t ho fb e a tt r a n s f e rf u l l yd e v e l o p e df l o wh a db e e nr e d u c e d a c c o r d i n g l y , t h ef l o wr e s i s t a n c ew o u l di n c r e a s eg r a d u a l l y , t h et r a n s i t i o n a lr e y n o l d s n u m b e ro fl a m i n a rf l o wt ot u r b u l e n c eb e c a m es i n a i l e ra n ds m a l l e r , t h eh e a tt r a n s f e r w o u l de n h a n c ea c c o r d i n g l y , b e s i d e st h ef l o wr e s i s t a n c eh a db e e nd e v i a t e df r o mt h a to f t r a d i t i o n a lt h e o r y ；w i t ht h ei n c r e a s eo ft h er a t i oo fh e i g h tt ow i d t ho fr o u g h n e s sc e l l ， 珏 山东大学博士学位论文 i l l l t h ef l o wr e s i s t a n c ei n c r e a s e da n dh e a tt r a n s f e re n h a n c e da c c o r d i n g l y ；、i t l lt h ei n c r e a s e o fs p a c eb e “m o fr o u g h n e s sc e l l t h ef l o wr e s i s t a n c ed e c r e a s e da n dh e a tt r a n s f e r i n c r e a s e dc o r r e s p o n d i n g l y t h ee f f e c to fd i f f e r e n ts e c t i o ns h a p eo nf l o w , h e a tt r a n s f e ra n dh e a tt r a n s f e r e n h a n c e m e n to f m i n i - c h a n n e lh a db e e ni n v e s t i g a t e db yu s i n gc f dn u m e r i c a lm e t h o d s a tt h ec o n d i t i o no fs a m eh y d r a u l i cd i a m e t e r , t h ef l o wr e s i s t a n c eo fc i r c u l a rc h a n n e l i s l a r g e s ta n dt h a to fs q u a r ec h a n n e li sl e a s t ；t h eh e a tt r a n s f e ro fr e c t a n g u l a rc h a n n e li s b e s ta n dt h a to f c i r c u l a rc h a r m e li sw o r s t t h ee x p e r i m e n tp l a t f o r mh a db e e ns e tu pa n dm i n i - c h a n n e lh e a te x c h a n g e rh a d b e e np r o d u c e d 1 1 l ee f f e c to f h e a tp o w e ra n dc h a n n e lm a t e r i a lo nf l o wa n dh e a tt r a n s f e r o f r e c t a n g u l a rm i n i c h a n n e l sh a db e e ni n v e s t i g a t e di nt h i st h e s i s k e y w o r d s ：m i c r oe l e c t r o n i c sc o o l i n g ；m i n i - c h a n n e l s ；c f d ( c o m p u t a t i o n f l u i d d y n a m i c s ) ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；c o n j u g a t eh e a tt r a n s f e r ；v a r i a b l ef l u i dp r o p e r t i e s m 蒋号表 暑詈曼曼鼍皇寰燃寰! ! ! ! 曼! ! 掣燃舞舞! ! ! ! ! ! 曼尊燃葛! 曼曼詈昔詈鼍皇拳懋晕皇皇置! 皇! 苎冀燃拦曼! 皇皇i i i i i i i 霉皇鼍曼 热扩散率 裹径 嚣力加速度 导热系数 蓬力 温度 温度 热膨胀系数 符号表 动力粘性系数 内热源项 z 方向的速度 努譬数 努谢尔特准则数 平均努谢尔特准则数 密度 普朗特准则数 雷诺数 骂赫数 热流密度 松弛时爝 耗散函数 x 方向的速度 y 方向的速度 x 方囱坐棘 n s r a 2 m m s k g m 3 w m 2 s m s m s m 黔 谯 孑盼 击 m劬m豫k 薛遣 a g g 五 尹 。 t 芦 譬 s w 触 一胍 妒n 船 m g f 蚤 u v x 山东大学博士学位论文 y 方向坐标 表面张力 格拉晓夫数 比热 厚度 热阻 运动粘度 当量直径 达西阻力系数 压差 相对粗糙度 面体比 流体沿流动方向无量纲距离 热充分发展段无量纲距离 控制体的体积 控制体的表面积 公共界面交叉扩散项 比热 表面传热系数 固体温度 流体温度 通道长度 m n j k g m m 2 ，w m 2 s m p a m 3 m 2 j k g k w ( m 2 鼢 k 或 k 或 m v y o 国 。5 r v 吃 厂 廿 口 r 岱 0 厅 o o 工 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：力* 喂 日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名色壶师签名：善匣2 乒日期：! 掣：! ! 第l 章绪论 第1 章绪论 现代科学技术的快速发展、工艺制造水平的提高和生产的实际需鼹开辟了小 尺度和微尺度换热研究的新领域，进而推动换热设备向商效和小型化、徽型化方 向发展。微尺度通道内的流动和抉热，在超丈规模集成电路的冷却、航天技术中 对热环境控制及生物医学中细胞分离等方丽都有广泛的应用。同时，由于微尺度 通邋内流动与换热出现了些新的现象，使得这一课题的研究具有重要的现实意 义和科学价值。为我们所熟悉的传热传质领域中，空间尺度徽细化的研究成为了 微细尺度特殊传热传质现象和过程研究的崭新方向，并迅速发展成为王程热物理 损域的研究翦沿和热点。 1 1 研究背景 徽缨尺度传热鲻题的工程背景来自予2 0 世纪8 0 年代随密度微电予器件的冷 却和9 0 年代出现的微电子机械系统中的流动和换热问题。它的特点是当空间和时 间尺度微细化后，出现了很多与常规尺度下不嗣的物理现敷。 离新技术的发展，使加热冷却设备呈现磁微型他、紧凑忧秘高性能的突出特 征，使人们必须考虑热量和物质传递过程中的徽尺度效应。特别是微电子技术、 光电子技术、微小机械、微机电系统、航天热控制、材料科学和生物科学等方面 迫切需要解决微尺魔条件下商热流密度热冷却的传热传魇闷题。同时细微加工技 术的发展也为研究提供了可能憔，促成了“微尺度传热”( m i c r oh e a t 鼽啪r ) 新分支的具体化，将成为其他相关科学技术发展的重要搬动力。 微尺度传热领域豹研究包括空间徽尺度、时俩徽尺度和熏力微尺度三个方面 计算机的微型化带动了微米、纳米技术的兴超，半导体材料及未来的生物钾能计 算机的材料对温度具有强烈的敏感性，要求进行空间微尺度的研究：时间微尺度 主要魑指超快速过撩，如脉冲激光加热技术的发展，使加热时阀小到纳秒( n s 即 1 0 叫秒) 乃至皮秒( p s 即1 0 叫5 秒) 量级，由热流的超高频变化与应用而引起人 们的注意：重力微尺度在航天技术中会遇到，这就需要探索在地面模拟麓力微尺 度变化的有效技术。 由衷太学薅士学位论文 微加工工艺技术的发展提供了研究和应用微小尺度换热器的可能性。如定向 墟麴毅零( o r i e n t a t i o n - - d e p e n d e n t e t c h i n g ) 窝无毫镶技术( e l e c t r o l e s sn i c k e l p l a t i n g ) 等加工工艺都曾成功的用以加工亳细热界面【l 】，廒用金刚石刀具的精密机床也曾 用来加工各类薄膜上的微型通道，其精度达到了t m 量级。舅外一些加工按术可 班用来加工和改变不闷截面形状酌微垄管槽，尺寸上有较大的自由度，鱼w 以承 受较高的压力。w i r ee d m 技术可以进行精密切割，使加工篼为经济实用化。e b 焊接、激党焊接、d i f f u s i o nb o n d 拨零傻微型换热嚣与被换热童俸懿联结糖会取褥 了很好酌效果1 2 1 。 随糟现代技术的迅速进步，诸如纳米技术、电子和航天等高、新、尖端技术 的发展爨为传热传爱掌懿嚣拓展瑗穗崭掰的研究领壤。 怒火规模集成电路( 您掰) 技术的急速发袋为现代社会带来一场革新。丽随 着集成化的加强，电予器件在实现运算速度更快的同时，不可避免的带来热流密 度急劂瓒搬熬闽题。农菜些设备( 熟诗算枫的蕊冀层叠等 审豹热流密发达蘩 1 0 7 w m 2 ，纥现代商用轻永反应堆壤心的平均功率密度高出2 3 个数量缓。一般 芯片维持正常工作的濑度要求低予1 0 0 * c 因而如何提供有效的小温差下商热通 量豹冷帮途径，已成隽傈障系统稳定运程瓣关键。逶常兹气冷一般无法达到这一 要求，鼠散热系统庞大，出现了电子器件的“热辩”问题。八十年代初，t u r k e r m a n 等1 , 2 1 提出在芯片背颟采用微矩形结构通道，通水冷却，散热量最高可达7 9 0 w e m 2 ，攀l 起了徽奄子秘篱煞颁竣疆究毒静浓蓐兴趣，傻徽繁罐按热按零熬霹究 和应用肖望为扫清徽电子器件的“热障”开辟出条新路。 在航天技术中，舱内热环境控制堆载人搭乘和维持航天仪表的正常工作同样 吴毒援必菱要懿塞义。靛天器本隽戆，l 、墅紧凑稼蠲纹器、仪袭、圣 算掇等熬褰疫 集成化，以及载人和科学实验仪器豹增多，使舱内发热加剧，散热强度可商选1 0 6 1 0 7w m 2 ，甚至更犬，这远非普通的单相受迫对流或相应的搬化传热技术所能解 决煞，嚣震要菝簇参必度夔稳交羧热。嚣蘩，荚嚣懿靛天器懑嚣戆瘦弱镦黧热警 和微型结构从舱内仪器中吸热，通过两相流动的循环回路传到机体外的散热扳上， 然后向宇宙空间辐射散热，舱体内以及循环回路巾的传热都可以由微型结构或微 逶遘内滚俸懿流动毅煞寨完藏。 2 第1 章缝论 空间尺寸的“微尺度”和“巨尺度”均是相对予习惯上的常规尺度来说的。所研 究戆徽哭度是亚锻米帮徽米缓戆，键不瘦与分予缀懿镦震穗滤潺。近年来瓣镬足 度的传热传质的众多研究表明：尺度的微小化，必然使流体的热力性质，能量和 物质的传输过程及规律发生质的变化，以致基予宏观方法建立的已有的唯象理论 熬逶矮魏受至l 霞疑。 总乏，微细尺度传热现象和过程的研究，因其潜在的学科发展意义和鲜明强 烈的应用背景，成为擞今热科学及传热传质学研究的热点之一。 i 2 微通道流动和传热研究的国内外现状 隧麓秘学技术黪巍速发展，骞密度微电子嚣传豹冷帮秘微极毫系统( m e m s ) 豹快速发展追切要求解决微细尺度流动和换熟的机理，这促使微细尺度传热闯题 成为当前国际传热界的热点。但国内研究起步较晚，同国际上相比在此领域的研 究承乎逐衮较大差距。姿藏国际上传热戆兹沿已经涉及到纳漱尺度，无论挟对阑 测量还怒从温度和速废测量方面都已经发生了擞本性的变革。 蚕i i 滚魂筷羧方法豹努类嘲 3 山东大学博士学位论文 微通道流动和传热是一个新兴的研究方向，目前的微通道流动的研究从两方 面同时进行，一方面是基于连续介质假设和n - - s 方程，另一方面是基于分子动 力学和统计力学，也就是从宏观和微观两个角度进行微尺度流动的研究【3 j 。但是 要寻找n - - 者的结合点，既能借鉴利用宏观尺度已有的成果，又能发挥理论上微 观分析的深入细致，并且避免进行分子动力学模拟的海量计算，仍然需要许多探 索和大量的开创性的工作。 1 2 i 国内现状 自上个世纪8 0 年代起，我国学者吴沛宜1 4 5 1 就开始在国外从事微通道流动和 传热的研究，测量了氮气、氢气和氩气在硅微通道的流动特性，微通道为3 1 2 5 7 2 所宽和8 9 9 7 埘深，结果表明阻力系数比常规尺度高1 0 3 0 ，层流向紊 流转变的临界雷诺数为3 5 0 9 0 0 ，在紊流区努谢尔特数比常规理论要高随后我 国的一些大学和科研单位陆续开展了微通道流动和传热的研究工作，尤其在热流 体力学基础、微尺度传热传质、微型热管等多方面的研究，取得了一些具有国际 先进水平的成果。 当空间和时间尺度微细化后，微细尺度的传热出现了很多与常规尺度下不同 的物理现象，其原因可以分为两大类：一类是连续介质的假定不再适用，另一类则 是各种作用力的相对重要性发生了变化【3 6 - 7 1 ；所需研究的挑战性问题有，导热系 数的尺度效应、导热的波动现象、微小通道中流动和传热、流动压缩性和界面效 应等的影响、微细尺度下的辐射和相变等。研究发现微通道气体流动和传热的影 响因素主要是稀薄性，压缩性及管道的表面粗糙度；微通道液体流动的影响因素 主要有通道的热物性、表面粗糙度和亲水性以及疏水性、通道的几何尺寸和截面 形状、通道的进出口效应、流体的变物性以及电双层等4 1 。 1 2 1 1 微通道气体流动和传热 微通道内气体的流动换热的研究主要依靠实验和数值模拟，且随着通道当量 直径的变化，其研究方法也相应改变。因气体流动根据其稀薄程度砌( 努曾数) 的 4 第1 章绪论 大小可将气体流动划分为自由分子区、过渡区、滑移区，连续介质区【8 5 l ，在自由 分子区和过渡区主要通过分子动力学或统计力学d s m c ( 直接蒙特卡罗法) 进行数 值模拟，而在滑移区可基于n s 连续方程的边界修正进行研究，连续介质区n s 方程仍然适用，同时在连续介质区和滑移区也可进行实验研究 微通道内流体流动与换热规律不同于常规尺度，这可归因于“贴壁层”流体分 子与壁面相互作用的影响d s a 6 。莫海龙等l 埔1 对9 0 1 6 0 k 的氮气在五种小高宽比 ( a = 0 0 1 3 0 0 4 7 5 ) 矩形通道中的对流换热进行了实验研究和机理分析，实验结果表 明，矩形通道高度对传热与流动特性影响显著，随着通道高度的增加，通道进出 口压差减小，层流向湍流转变的临界r e 数增大，层流区n u 数随通道高度增加而 增大，湍流区n u 数随通道高度变化存在最佳值。重庆大学朱恂等【1 7 1 对滑移区微 环缝通道单侧等壁温换热情况进行了数值模拟，讨论了稀薄效应、内外径比对等 壁温加热条件下微环缝通道内换热特性的影响 杜东兴等【1 9 1 采用短管重现长管中流动状态的方法，实验测量了内径为8 4 7 1 u n 的微细管内气体流动的沿程压力分布。樊菁等悯实验揭示了稀薄气体效应对气 体运动的重要影响。陈熙1 2 1 l 针对具有均匀入口速度与温度剖面的微通道中的气体 流动与传热，证明了在速度滑移与温度跳跃区，通道入口处的摩擦因子与努塞尔 数依赖于克努森数以及壁面和气体分子间的动量与能量交换的完善程度，而和微 通道的横截面形状无关。秦丰华1 2 2 对长微管道中压力驱动的气体流动，考虑到 稀薄气体效应，给出了可压缩气体流动简化控制方程的近似解析解，得到了流动 的速度分布、密度分布以及近似质量流量公式。 李娜伫3 1 数值模拟了微尺度下自然对流的尺寸效应。丁英涛犯4 1 实验测量了矩形 变截面微管道内氮气的流量特性，并分析不同因素对流动特性的影响。淮秀兰【2 钉 实验研究了微通道内超临界c 0 2 的局部和平均传热与压降特性，结果表明，临界 点附近物性参数的剧烈变化使压降增大，但传热被大大强化；同时也发现，系统压 力、质量流速及c 0 2 温度对流动与传热特性有重要影响。唐桂华等1 2 6 , 2 7 1 实验研究 了直径范围5 0 2 0 0 a m 微细光滑圆管及粗糙管内气体阻力特性；结果表明所研究 光滑微细管内阻力特性与常规管基本符合，从层流到紊流的转捩r c 也未明显提 前，而粗糙管阻力也远大于理论值。王沫然等【2 8 】使用直接m o n t ec a r l o 法对三维直 出东文学港圭学短谂文 微通道内的气体流动滋行了数值模拟，对比了不同截面形状的源道不同驱动压差 条嫠下羰瑟形羧露缀逶道秀气薅滚凌三维效应瓣影穗凌及三缳效应霹滚登篷差 关系的影响。张鸿凌 2 9 1 采用傅立时变换激光云纹技术测量微细尺度流体温度场， 发展了新的微通道气体传热测量手段。 1 2 1 2 微通道液体流动和传热 微通道液体的流劝和传热分为单相流动、鼹糨流动和多棚流动之分，其中在 微通道巾液钵流动n - s 方程还适掰，毽困实验仪器精度、数攒簸理，流体交耪往， 通道的i 出口效应、通道表面的粗糙度等因素的影响，至今在实验结果上不一致 甚至楣纛矛蓐，有待母进一步深化研究。微通道鼹相流和多撩流主要依靠霹视证 实验设备进行实验研究，集中研究流型和裙界藤的变化、镦邋遴沸薅和凝缭换热 以及微黧力对其流动和传热的影响。 清华大学王於宣期彭晓蜂对微矩形通道中肇褶流动移沸腾两穗流动遴孬了 广泛的研究，发现徽避道的几何尺寸对其流动和传热有着重簧豹影响，影响园素 包括通道的高宽比、巍量直径、流体的物性等【3 0 , 3 1 j ；此外他们还分析了几种不同 躬相交露沸腾传热瑗蒙，发现液体滚动的空鲻尺度对相交与沸腾形态有蘩耍影 响，由戴提出液体内部汽化的“汽纯空间”与“拟沸腾”两个全新的重要概念，并研 究了微槠内沸腾液体的流动阻力特性 3 2 - 3 4 1 姜熔学”1 对微尺度换热器产生的背 景、黟 究现拔及存在鳃瓣题送行7 综述秘初步分援，发现有臻惩气傣瑟骰懿实验 研究，徽有可能是处于有速度滑移和温度跳跃的滑流区，速度滑移和温度跳跃致 使阻力系数减小、传热减弱；并对微小通道和多孔介质对传热的强化效果j 行比 较，发域多兹余震对传热戆强纯效栗更好，毽麓踺匿力援失纛爨大。 重庆大学的辛明道p 翻和张培杰1 3 刁对微通道以水为流体的受追流动换热进行 实验和数值研究，研究表明流动层流向紊流转捩发生在1 4 0 0 1 8 0 0 之间，并通 过羧移获褥漾是工程疲瘸豹簧热秘滚凄关联式。朱稳释s l 对徽奎逶遂敖热嚣豹滚动 和传热情况进行了实骏研究，获得了水和乙二醇在雷诺数5 2 5 0 0 的流动阻力及 实验关联式。 姜翳蕤等 3 9 , 4 。l 蜜验骄究了瘩秘鞠冷裁在数必发逶遂争擎秘滚动窝换热耱瞧， 6 繁l 章绪论 研究表明，在微尺度通道中流体单摆流动换热性能明显高予常规尺度通道，而阻 力系数祗予鬻蕊通逡。并褥蜀了微怒度逶遥戆尺寸、结秘形袄窝流露流动均匀经 对其流动和换热的影响规律。李战华等川实验研究了内径为2 5 所石英管内去 离子水及毒税液体煞流量特性，缝栗表明，菲极性，l 、分子鸯槐液俸在本实黢酝用 管道中箕流动规律仍符合连续介袋假设。 秦文波等”2 j 对五个不同高宽比的矩形通道的流动进行了水力实验，结果表明 毒宽鲢：辩矩形通道层流滚魂有重要影瞧，层t 凌劐紊滚懿最大漆器霍诺数隧蒜塞壤 的增大黼增大，函管的层流阻力公式已经不适用于矩形微通邋。陈运生m l 设计 加工出了一种新型硅制微管道网络散热器，实验证明分形微管道网络散热器强化 传热效果好予传统黪警蠢微管道黪捌教熬器。孙囊戒l 删对承农蘩壹繇熬蠹受逑漉 动状况下单相对流捩热时的流动阻力特性进行了实验研究，络暴表明，雷诺数在 9 0 0 1 1 0 0 时流态便开始向紊流转变，摩擦阻力和压降大小与加热方式和换热温 差翁关蓉缀，l 、，瑟圭簧取决于震爨滚速帮巧骧爨度终篷懿大，j 、。粝翌华嘲竣诗 了三种不同曲率半径飘三种不同当嫩直径的微，j 、通道，并对其水力特性进行了一 系列的试验研究，结果表明，流体在弯曲微小通道中流动的临界雷诺数 r e c = 1 0 0 0 1 2 ，曼薅萋麴率半径戆减，j 、r 毽逐渎壤奎。 谢水奇等 4 6 1 以新溅电子设备冷却液f c 7 2 为正质，实验研究了4 种不问结构 尺寸的矩形微槽单相流动和强迫对流换热性能；分析了工质流速、过冷度以及微 疆缝橡等黠换燕性能瓣影嚷。食鳖等p ”薅瘩在鬻瓷徽逶道内瓣传熬彝压酶黪缝送 行了实骚研究。甘云华郴】等基于熟边界层中断技术，设计了一种新型交锗结构微 通道，以实现强化换热的同时而减小流动阻力的目的；结果表明，采用新型结构 戆藏套徽运遭遂窭霜燕差，降低黪獠豢数，莠量缝较筹建强纯获熬；梵努德弱还 实验研究了水和甲酵在硅基微通道中换热特性洲。周继军0 5 ”对微通道中液体沸 腾的临界热流密度进行了实验研究。凌智勇等嗽5 3 1 实验研究了不同的微管内径下 硅涵静滚韵褒襻透霉，试验绥栗蒸零主与宏蔑滚动特经槎锾，获瑟涯臻n - - s 方 程在此爨；验条件下仍邋用。陈永乎1 5 4 对新型分形树状微通道散热器进行了窳验研 究，结果表明分形树状微通道的传热效果优于传统的平行微通邋缴热器。郝鹏飞【5 5 l 弱焉徽瓣筏子蚕像溺速技术( , - f i c r o p i v ) 磅究了袭离子瘩在内径2 3 0 m 翡瓣形裁 7 山东大学博士学位论文 面玻璃微管道内的流场结构，发现微管道内从层流到湍流的转捩发生在 r e = 1 8 0 0 - 1 9 0 0 左右，与流动阻力的测量结果一致，与宏观流动比较，并未发现微 管道内的流动转捩有明显提前。 蒋洁【5 6 1 实验研究了水在矩形微尺度通道中的流动阻力和传热特性，结果表明 微尺度通道中流体流动的摩擦阻力系数较常规尺度通道中的摩擦阻力系数小，仅 是常规尺度通道中摩擦阻力系数的2 0 r v 3 0 ；且流动状态由层流向湍流转捩的 临界r e 也远小于常规尺度；微通道中对流换热的n u 与常规尺度通道的显著不 同，流量较小时，nu 较常规尺度通道中充分发展段的小；随着水流量的增加，微 通道的nu 迅速增加，并很快超过常规尺度通道的nu ，表现出微尺度效应。李 卓以去粒子水为工质，对当量直径3 0 0 1 5 7 9 9 m 微圆管的流动及换热特性进 行了实验研究，结果表明壁面粗糙度超过l 时必须考虑粗糙度对其流动阻力的 影响，当雷诺数小于1 0 0 时，管壁的轴向导热影响随壁厚与内径比的增加而增大； 当雷诺数大于1 0 0 时，轴向导热的影响逐渐减弱，充分发展区的努谢而特数接近 常规值4 3 6 。刘婷婷5 8 i 采用c f d 软件f l u e n 研究了微通道热沉中的流体流动与 传热问题，并通过实验证明了数值仿真的有效性。刘志刚5 9 - 6 ”通过可视化和红外 非接触测温手段，实验了研究微钢管的壁面轴向导热、流场及粗糙度对微管流动 和传热的影响。 1 2 1 3 微通道流动传热的数值模拟 随着计算机技术的迅速发展，微通道流动和传热的数值解法已经成为科学研 究的重要工具。我国传热学者近些年来在微通道流动传热的数值算法方面，取得 了一些具有国际先进性的成果，处于国际传热界的研究前沿。对于微尺度气体的 流动换热主要通过直接m o n t ec a r l o 方法、分子动力学及格子玻尔兹曼来研究微 通道的流动和传热问题。 孙宏伟1 6 2 1 通过引入k n u d s e n 数研究了速度滑移和温度阶跃对微尺度流动和换 热的影响。陈民f 6 3 采用m o n t ec a r l o 方法研究了纳米石墨管中流体氢的热力学性 质。冯晓利i “1 对采用分子动力学方法研究导热系数的背景、研究现状及存在的问 题进行了综述和分析。孙德掣6 5 j 采用解析法得到长微管道气体流动的数学模型， 第1 章绪论 并通过实验结果和蒙特卡罗数值模拟方法与之比较，结果表明微尺度流动的压缩 性效应十分明显，随着气体稀薄效应增强，滑流解与直接数值模拟的解偏差增大。 王娴1 6 6 1 采用直接m o n t ec a r l o 方法模拟了微通道流动问题，而叶杰成 6 7 1 则采用均 质非平衡态分子动力学方法，对薄膜的热导率进行了计算机数值模拟。 柏巍啷i 在等壁温边界条件下对矩形微细通道速度滑移区的对流换热进行了 二维数值模拟，在一阶速度滑移和温度跳跃的边界条件下，算出了通道内的速度 和温度以及压力分布，并比较了不同努曾数 对于滑移速度和跳跃温度的影响。 陈冰雁l 删采用了表面粗糙度粘性系数模型对微细管内的气体流动进行数值模 拟。马斌【7 0 i 结合“贴壁层”的理论对格子b o l t z m a n n 方程在微通道流动中的应用 进行探索，对k n 数跨越速度滑移区和过渡区的3 个微通道中的气体流体进行了 模拟。 王玮1 7 1 1 利用表面规则突起来模拟粗糙元，数值研究了粗糙表面对微尺度层流 流动阻力的影响；此外他通过数值解析的方法研究了考虑壁面轴向导热时微细管 内的对流换热l 删，研究结果表明，当管外为对流换热边界条件时，管内充分发展 对流换热的n u 依然在3 6 6 4 3 6 之间，但若忽略壁面轴向导热，采用一维热阻模 型整理微细管内对流换热的实验数据将会导致错误的结论。赵建兵【7 习基于 b g k b o l t z m a n n 模型方程的气体运动论数值算法，对不同k n u d s c n 数下、压力驱 动的二维微通道流动进行了数值模拟，结果表明b g k 方法具有模拟结果良好并且 计算经济的特点。 曹炳阳1 7 4 1 将2 d m d ( - - 维分子动力学) 方法应用于微通道内气体流动的研究， 以平衡状态气体分子速度的分布函数为基础，得到了分子平均速率、平均碰撞频 率、平均自由程和动力黏度的理论形式，以及二维体系气体流动的滑移边界条件。 贺群武7 5 1 用直接模拟蒙特卡罗方法对给定进出d 压力边界条件下微通道内气体 的流动换热特性进行了数值模拟，给出了壁面与流体的温差对气体沿程压力、温 度及密度分布的影响。李志辉【7 6 1 简要介绍基于b o l t z m a n n 模型方程的气体运动论 数值算法基本思想及其对二维微通道流动问题数值计算的推广，并阐述适用于微 尺度流动问题的气体运动论边界条件的数值处理方法。徐洲77 】基于微尺度流动的 滑移模型，建立了二维微通道内气体流动的计算方法，并对相关文献中微通道内的 气体流动进行了计算。李志辉1 7 8 1 基于m e m s 微尺度流动特点，将气体运动论统一 9 出塞文学薄学经论文 算法推广应用于p o i s e u i l l e 等微通道流动计算研究。周靖等f 7 9 1 应用直接蒙特卡罗 ( d s m c ) 方法模攒了警孬扳微逶邋每迸叠流速较l 蓑露豹气体滚动，揭示了蘧缤毪 与稀薄憔对所研究微平行板通道中流动与换热的影响。 1 2 。2 鞫羚臻鏊 计算机的高速发展使微电子元件散热问题成为世人研究的霭点，因微通道对 流换热霹获褥魄掌蛾必度离褥多黪羧熬系数，麸嚣微通道霹濂抉热成为国鼯铸蒸 界研究的新课题。 t u c k e r m a n n 和p e a s e l l , 2 1 实验分析了流体流过微细通道的阻力特性。实验结果 较常援关联式计算懿结莱略毫。w u 啡5 l 在横截鬻为矩形和梯形瓣微足度攀繁孛溅 量了气体的阻力特性，其结果与常规尺度不同：就层流而言，w u 发现摩擦因子高 于传统的