（热能工程专业论文）横掠微针肋热沉内流体流动与传热特性的实验和理论研究.pdf

摘璎 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼! 皇! 曼! 曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼m m | ll 皇曼! 曼曼曼曼曼曼曼! 曼! 曼曼曼曼曼曼曼! ! ! 曼曼曼曼曼 摘要 当f j ，许多尖端科技的突破性发展越来越依赖于高效冷却技术，它们要求 冷却技术能有效驱散小面积区域产生的大量热量。具有内部强化传热结构的单 相流体微型冷却热沉已经被用来解决面临的冷却难题。近来，微加工技术的进 步使得在高热导率固体基体上加工出更多复杂的微几何结构成为可能。本文设 计了一种在微通道内敷设针肋阵列的强化传热结构。目前关于微针肋阵列冷却 热沉的实验和理论研究比较少。本文以揭示横掠微针肋阵列热沉内流体流动和 传热机理为目的，对横掠微针肋阵列热沉内部单相流体的流动与传热特性进行 了实验研究及理论分析。 本文首先研究了水横掠微针肋热沉的流动特性，研究表明：针肋的布置方 式和针肋的形状对阻力特性的影响很大，在小流量下其影响较小，随着流量的 增加影响越显著；相同针肋形状、布置方式下，孔隙率变小，随着流量增大， 压降将迅速变大；高径比影响摩擦阻力系数，小的高径比产生较大的阻力损失。 在雷诺数处于8 0 1 0 0 范围时，叉排实验件的摩擦阻力系数随雷诺数的变化关 系出现转变，顺排却没有出现类似的变化。 其次，研究了微针肋热沉的传热特性，研究表明：菱形实验件的换热性能 比圆形实验件要好；孔隙率越小，换热性能越好；高径比越小，换热性能越好； 同等条件下，微针肋热沉比微通道热沉具有更好的换热性能，但是压力损失较 大。 最后对微针肋热沉的流动与传热进行了数值模拟，模拟值和实验值吻合的 很好。层流模型可以用来模拟低雷诺数下的横掠微针肋热沉的流动与传热问题。 关键词：微针肋；微通道：摩擦阻力系数；传热 a b s t r a c t a b s t r a c t b r e a k t h r o u g hi nm a n yc u t t i n g e d g et e c h n o l o g i e si si n c r e a s i n g l yd e p e n d e n to n t h ea v a i l a b i l i t yo fh i g h l ye f f i c i e n tc o o l i n gt e c h n i q u e st h ea r ec a p a b l eo fd i s s i p a t i n ga l a r g ea m o u n to fh e a tf r o ms m a l la r e a s s i n g l e p h a s el i q u i d c o o l e dm i n i a t u r eh e a t s i n k sw h i c hi n c o r p o r a t ei n t e r n a lh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n ts t r u c t u r e sh a v ee m e r g e d a sas o l u t i o nt ot h e s ec o o l i n gc h a l l e n g e r e c e n ta d v a n c e m e n ti nm i c r o f a b r i c a t i o n t e c h n i q u e sa l l o w sm o r ec o m p l e xm i c r o s c a l eg e o m e t r i e st ob ef a b r i c a t e dd i r e c t l yi n t o l l i g h - t h e r m a l c o n d u c t i v i t y s o l i ds u b s t r a t e s t h i s p a p e rd e s i g n s am i c r o s c a l e e n h a n c e m e n ts t r u c t u r ew h i c hc o n s i s t so fa r r a y so fm i c r o p i nf i n sa r r a n g e di n s i d ea r e c t a n g u l a rm i c r o c h a n n e l s of a r , af e wl i t e r a t u r e so fe x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a l r e s e a r c ho nm i c r o p i nf i nh e a ts i n k sh a v eb e e nr e p o r t e d t h em a i np u r p o s eo ft h e p r e s e n ts t u d yi st oc l a r i f ys o m em e c h a n i s m sa b o u tf l o wr e s i s t a n c ea n dh e a tt r a n s f e r t h r o u g hm i c r o p i nf i nh e a ts i n k t h ee x p e r i m e n t a ls t u d ya n dt h e o r e t i c a la n a l y s i so nf l o w r e s i s t a n c ea 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 fs i n g l e - p h a s ef l o wa c r o s sm i c r o p i nf i n s a r r a y si sp e r f o r m e di nt h i sw o r k f i r s t l y , a ne x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no nf l o wr e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c so f m i c r o p i n f i n s f o rw a t e ra sf l u i dh a sb e e np e r f o r m e d i th a sf o u n dt h a tt h e a r r a n g e m e n ta n ds h a p eo fp i n - f i n sh a v eas i g n i f i c a n te f f e c to nt h ep r e s s u r ed r o p t h e e f f e c ti sl i t t l ea tl o wf l o wv o l u m e ，b u ti n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n gf l o wv o l u m e 1 1 1 ep r e s s u r ed r o po ft h em i c r o p i n f i n sw i t hs m a l l e rp o r o s i t yr e m a r k a b l yi n c r e a s e s w i t ht h ei n c r e a s i n gf l o wv o l u m e t h ep i n - f i nh e i g h t - t o - d i a m e t e rh a si n f l u e n c eo nt h e f r i c t i o nf a c t o r t h es m a l l e rh e i g h t t o d i a m e t e rw i l lp r o d u c el a r g e rp r e s s u r el o s s f o r s t a g g e r e da r r a y so fm i c r o p i n - f i n s ，t h e r ei sac h a n g ei nt h er e l a t i o n s h i po ff t or e a r o u n dr e = l0 0 h o w e v e r , t h es i m i l a rc h a n g ei sn o tf o u n di na l i g n e da r r a y so f m i c r o p i nf i n s s e c o n d l y , h e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so v e rm i c r op i n - f mb u n d l e sh a v eb e e n e x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e d i ti ss h o w n t h a td i a m o n d s h a p e dm i c r op i n f i nh a v eb e t t e r h e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c ec o m p a r e dw i t ht h ec i r c u l a rm i c r op i n - f i n t h es m a l l e rt h e p o r o s i t y , t h eb e t t e rh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e t h es m a l l e rh e i g h t t o - d i a m e t e r , t h e b e t t e rh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e c o m p a r e dw i t hm i c r o c h a n n e lh e a ts i n k ，m i c r o p i nf i n h e a ts i n kh a v eb e t t e r h e a tt r a n s f e ra n dh i g h e rp r e s s u r ed r o pu n d e rt h es a m ec o n d i t i o n s a tl a s t ，f l o wr e s i s t a n c ea 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 sh a v eb e e nn u m e r i c a l l y s i m u l a t e d i ti ss h o w nt h es i m u l a t i o nv a l u ea n de x p e r i m e n t a lv a l u eh a v eag o o d m a t c h i ，a m i n a rf l o wm o d e lc a nb eu s e dt os i m u l a t ef l o wr e s i s t a n c ea n dh e a tt r a n s f e r 北京i i 、l k 人。学i ：z 硕f j 学f 节论文 p r o b l e m a tt h el o wr e y n o l d sn u m b e r k e y w o r d s ：m i c r op i nf i n ；m i c r o c h a n n e l ；f r i c t i o nf a c t o r ；h e a tt r a n s f e r i v 物 甲 彩称及符弓灰 物理量名称及符号表 热沉底板的加热面积或敷设针肋通道底板面积，m 2 敷设针肋通道的截面面积，m 2 单个针肋的横截面积，m 2 流动最窄截面面积，m 2 毕渥数 定压比热，j ( k g ) 圆肋直径或9 0 。菱形肋边长，m 基于多孔性的特征尺寸，m 矩形通道当量直径，m 摩擦阻力系数 工质的质龄流速，k g ( m z - s ) 最窄截面处质量流速，k g ( m z s ) 肋高或通道深度，m 对流换热系数，w ( m 2 ) 导热系数，w ( m ) 电流，a 敷设针肋的通道k 度或微通道热沉长度，m 针肋沿米流方向的最人长度，m 质量，k 2 努塞尔特数 总针肋数 沿流动方向针肋排数 垂直丁流动方向针肋列数 压力，p a 进出口筹压，p a 掠过针肋阵列压差，p a 微通道进口段压降，p a 微通道充分发展段压降，p a 单个针肋的周长，m 输入功率，w 泵功，w 普朗特数 热流密度，w m 2 流体的体积流量，m l m i n 流体的质量流量，k 幽 雷诺数 紧凑式雷诺数 电阻，q ；热阻，w 总热阻，脚 横向间距( 垂直于流动方向) ，m 纵向间距( 沿流动方向) ，m v i i 4山缸历勺d矿仉厂g七，k m m m m m p卸嘛锄p岛k厅g g廊胎腑r足研觅 北京，1 业人学i ：硕卜学f 节论文 希腊字母 】b 兄 万 占 r , 坳 p 西 中t r 下标 口1 ， c o n d c d ，l v e x p l 以 m a x m z 刀 d “f p r e d s s c s e 斜向间距，m 时间，s 温度， 热沉底板加热面( 加热膜) 温度， 流体进口与出口的平均温度或定性温度， 通道进口流体温度 坐标x 方向上的流速，m s 矩形通道进口流速，m s 矩形通道的平均流速，m s 最窄截面处流速，m s 电压，v 坐标y 方向上的流速 坐标z 方向上的流速 敷设针肋的通道宽度，m 针肋与米流圣直方向的最大宽度，m 微通道肋壁宽，m 沿流动方向的坐标，m 表4 1 中的儿何参数 表4 1 中的儿何参数 底极厚度，m 孔隙率 肋效率 动力粘度，k g c m 曲 密度，k g m 3 传入微针肋热沉的热量，w 热损失，w 同液耦合面 平均值 传导 对流 实验值 流体( 水) 进口 最人值 最小值 出口 预测值 同体( 硅) 突缩 突扩 v i l l &，r弓“u v w形x 物胛 疔够称及符表 旷稳流区 w 基底上壁面 i x 独创性声明 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，也不包含为获得北京工业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 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：旦虹日期：耻扛 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 第1 章前言 第1 章前言 1 1 选题的背景和意义 随着微机电技术、微电子技术和光电子技术的迅速发展，在信息处理、航 空航天和军事等领域，高性能设备与元器件的单位面积发热量不断增大，基于 传统冷却方式的冷却器及其制造工艺已经无法满足现代工业飞速发展的要求。 1 1 1 电子设备的散热问题 现代电子及相关产业发展有两大主流趋判1 1 。一是追求小型化、集成化；二 是追求高频率、高运算速度。这两大发展趋势导致电子元器件的功率密度不断增 大，同时带来耗散功率的不断增大。 统计数据表明，从1 9 7 0 年以来，半导体晶体管的密度和性能飞速提高，几 乎每隔1 8 个月就翻1 倍，基本上按照m o o r e 定律的预测趋势在发展【2 0 l 。相应的， 电子元器件的散热量和散热密度也随之升高。热量在微尺寸结构元件处累积，将 导致器件及系统温度迅速升高。据研究，元器件的失效率与其结温成指数关系【4 1 ， 性能则随结温升高而降低。器件的工作温度每升高l o ，其失效率增加1 倒5 1 。 对c p u 而言，热量在芯片处的累积将严重影响其稳定性和使用寿命。有研究 表明，单个电子元件的工作温度如果升高1 0 c ，其可靠性则会减少5 0 ；而c p u 失效问题的5 5 都是由于过热引起的。根据i n t e l 的首席技术官p a t r i c kg e l s i n g e r 的预测，如果芯片中的晶体管数量以现在的速率一直增长下去，n 2 0 15 年就要和 太阳表面一样热，这当然是不可想象的【6 】。 目前，在电子装置中广泛应用空气强制对流散热技术，这种传统的冷却方式 的基本结构是散热片与风扇的组合，在电子元器件微型化、集成化的趋势下，为 达到满足要求的冷却效果，只能增加空气速度，这不仅浪费大量的能量，还会产 生较大的噪声。对新一代的电子设备而言，热流通量高达1 0 6 1 0 7 w m 2 ，将有更 多的功率被浪费而转换成热能使得器件温度上升。很显然，采用传统的冷却技术 已无法满足现有先进电子封装的热设计、管理与控制需求，它不仅限制了芯片功 率的增加，还会因过度冷却而带来不必要的能源浪判。7 1 。事实上，电子设备的散 热问题已成为制约微电子工业发展的关键因素，积极寻找和研究先进的冷却技术 是当前在这一领域的前沿和热点。 1 1 2 大功率半导体激光器的散热问题 半导体激光器具有转化效率高、体积小、重量轻、可靠性高、能直接调制以 及与其它半导体器件集成能力强等优点【引，其应用领域覆盖信息通信、材料加工、 精密测量、生物医学和军事等诸多领域，已经成为当今光电子科学的核心技术。 就一般使用的半导体激光器而言，连续输出功率在1 0 0 m w 以上，脉冲输出 北京l i 、i k 人。r 硕f 何论文 功率在5 w 以上，均可以称为大功率半导体激光器【9 】。大功率半导体激光器及其 列阵在泵浦固体激光器、光荧光治疗和材料处理等方面有着广泛的应用。目前， 大功率半导体激光器在各种占空比下，有越来越高的峰值功率，连续输出功率也 越来越大。以电光转换效率为6 0 的典型值为例，激光棒( 单条) 光输出功率高达 1 0 0 w ，同时就会产生8 0 w 的热耗散功率；对于l o x l 2 m m 2 到l o x l 5 m m 2 的典型尺 寸，产生大约5 0 0 - - 6 0 0w c m 2 的高热流密度【1 0 】。虽然电光转换效率在不断提高， 但在激光二极管泵浦阵列中，最大的热耗散量大约是系统输入功率的6 5 t 】。如 果不及时消除因耗散功率所转化的热量，将造成激光器温度升高，从而使激光器 的阂值电流增加、输出功率降低，发射波长红移，造成模式不稳定，增加内部缺 陷，严重影响器件的寿命和可靠性。通常情况下，大功率半导体激光器迭阵的工 作温度低于2 5 时，激光器可获得最大的光电转换效率；工作结温低于5 0 时， 激光器可稳定工作；而当工作结温高于5 0 时，激光器的性能将很快变坏甚至失 效【l 引。所以，研究大功率半导体激光器的散热问题是一项非常有意义的工作。 1 2 微冷却技术介绍 微冷却技术的发展源于解决高速集成电路的散热问题，目前已向各种有重 量限制与体积限制的极高热流密度领域发展，如航天工业、电子元器件冷却、 大功率半导体激光器冷却、化工流程传热等。其主要目的是为了降低电子设备 因过热而发生故障损坏的机率、提高电子设备的性能及可靠度、延长使用寿命。 1 2 1 微热管技术 微热管的概念最早于1 9 8 4 年由c o t t e r 在同本举行的第五届国际热管会议上提 出【l3 1 。随着微热管的出现，使电子器件的高效冷却成为可能，使散热能力极大 提高。 微热管是由密闭容器、毛细结构与工作流体所构成。容器抽为真空后流入适 量的工作流体，然后密封。工作流体在容器内维持饱和状态，一旦容器的一端受 热，工作流体吸热汽化，所产生的蒸汽流向容器另一端放热凝结，而凝结液将因 毛细作用力或重力回流至原加热位置。由于热管内的工作流体通过相变传输热 量，因而可得到极高的传导系数，达到均恒温度的效果。 小尺寸效应对液体表面张力与相变化的影响，以及优于目前普遍采用的三角 形流道的多边形通道结构的设计，都将是微热管设计分析的重要课题【l 引。 1 2 2 微通道冷却技术 通常将水力学直径在l l0 0 0 p m 之间的通道或管道定义为微通道。微通道热 沉( m i c r o c h a n n e lh e a t s i n k ，m c h s ) 最早由t u c k e r m a n 和p e a s e 1 5 】提出，并从理 论上证明了水冷却微通道的散热能力可达1 0 0 0w c m 2 1 6 l 。他们制作的微通道热 沉的基本结构是：在集成电路的硅衬底背面用化学方法腐蚀若干矩形沟槽，用盖 第1 亭前言 板耦合构成封闭的冷却剂通道，密封与外界的连接而形成冷却剂回路。器件产生 的热量通过联结层而传导到热沉，被微通道中流动的冷却剂带走以达到对集成电 路芯片散热的目的。 目前，微通道散热板制作主要采用l i g a 、e d m 等技术，在基板上制造出许 多平行的微沟槽，再经键合封装形成封闭的渠道，两端以歧管接合，作为冷却液 的出入口。微通道冷却器散热效率高、体积小，能方便地利用i c 工艺，如果被用 于大规模生产，批量制作将大大降低单个成本，使这一技术更经济可行，易于推 广。 根据r i d d l e 等人的研究：流量一定时，矩形通道中流体总的热传导系数与通 道水力直径成反比【1 7 】。因此，随着通道直径的减小，换热系数增加。由于系统的 散热面积与体积比的显著增加，减小体积的同时散热量得到极大提高。若依据两 相流散热机理作一些相应的改进，系统的散热能力还能提高。 一般对微通道而言，流体的特性可由水力直径与深度比等几何特征决定【1 8 】， 而传热特性则受到几何条件、流量与温度差所控制【1 9 】。由于流体的热传导系数远 低于硅，所以系统热阻主要存在于流体。虽然缩小微通道尺寸能增加散热能力， 但同时也会引起压差升高，增加微通道的压力负载及泵的功率。此外，低雷诺数 下微流体的流动问题，包括边界条件及连体动力学有特性的热流分析都是极需深 入探讨的课趔z o - 。 1 2 3 微热电制冷技术 热电致冷又称半导体致冷，它的理论依据是利用半导体材料( 如b i 2 t e 3 ) 的 珀尔帖( p e l t i e r ) 效应。当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在 电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，从而实现致冷的目的。 通常把热电偶臂长小于l m m 的热电制冷器统称为微型热电制冷器( m i c r o t h e r m o e l e c t r i cc o o l e r s ) 2 1 】。根据珀尔帖效应理论，热电制冷器的最大制冷功率密 度与热电偶臂长成反比，即热电偶臂越短，热电制冷器的最大制冷功率密度越大 【2 2 l ，当热电偶臂长减小到2 0 u m 的时候，热电制冷器可以在接近1 0 0 0 w c m 2 的热 流密度下j f 常工作【2 3 1 。因此，由薄膜热电材料制成的微型热电制冷器的制冷功率 密度将得到显著的提高，可以满足微型电子器件现阶段热流密度( 1 0 0 w c m 2 ) 的散 热需求。 根据工作时热电元件( 或热电偶臂) 的热流流向，微型热电制冷器可分为 c r o s s p l a n e 型和i n p l a n e 型两类【2 2 1 。c r o s s p l a n e 型微热电制冷器热流方向均与导 热衬底垂直，由于半导体热电偶臂厚度为微米级，而且热电材料一般强度低、韧 性差，c r o s s p l a n e 型微型热电元件的制作需要采用成膜技术或其他特殊的加工技 术。与c r o s s p l a n e 型微热电制冷器不同，i n p l a n e 型热电制冷器热流方向与衬底 表面平行，通常直接集成在芯片上，这就要求其制作工艺与集成电路的生产工艺 北京i 、i p 人7 ：p ：硕1 j 7 ：f p 论文 能够兼容，从而可以在芯片的生产过程中同时制作出i n p l a n e 型热电制冷器。因 此，i n p l a n e 型微热电器件的制作过程中主要利用成膜技术，包括化学气相沉 ( f r o ) 、射频磁控溅射、分子束外延等。 微热电制冷器件体积小、重量轻、可靠性高、工作时无噪声、不释放有害化 学物质，它能在任意角度安装、改变电流方向，以实现致冷和加热转换，调节电 流大小可以精确控制温度，非常适合军事、航天领域的应用【2 4 1 。 1 2 4 微喷流冷却与微喷雾冷却技术 喷流冷却是利用从喷管喷出的高速冷却液来散热。流体通过喷管，成为高速 流，雷诺数增加，换热系数也随之增加。较高的换热系数、自由的构形和控制方 式，使这种冷却方式具有突出的优越性。 通常情况下，被冷却芯片的面积很小( 约l 4c n l 2 ) ，专用喷管也较小【l4 1 。当 前研究的冷却喷管直径约在2 0 0 - - 5 0 0 p m 范围内。微喷管中，流型和速度分布不 再遵循宏观规律，并且非常复杂，难于研究。根据i n c r o p e r a 等的研究【2 5 】，从喷管 喷出的流体速度分布均一。喷管中的流体速度分布不均匀，并且喷管中心处速度 最高。当流体完全脱离喷管，在紧靠壁面的地方形成驻点。流体从系统侧面喷出， 连续冷却位于喷口上方的芯片。更进一步的研究表明，换热系数由努塞尔特数决 定。m m a d d o x 和c o h e n 2 6 】提出单相喷流换热比率明显随喷管深度比变化而改变， 即喷管直径对换热性能有重要作用。m m a d d o x 矛l ：i c o h e n 的试验中以f c 7 7 作为冷 却液，最终得到的换热系数大约为1 7 0 0 0w m 2 k 。他们主要研究了泵抽吸功率 随喷管的尺寸和数目的变化规律，研究发现抽吸功率随喷管数的增加而减小；喷 管数目越多，性能越佳。但是由于制作工艺的局限，喷管直径只能小到一定程度， 喷管数目相应地也只能多到一定程度。 微喷雾冷却器与微喷流冷却器冷却原理类似，两者区别在于，微喷流冷却器 喷嘴喷出液流，而微喷雾冷却器喷出的是雾状液体小滴。这样更易于发生液体相 变换热，提高换热系数。 1 2 5 微射流冷却技术 微射流冲击是流体通过一定形状的喷嘴( 圆形或狭缝形) ( 射流直径一般 小于l m m ) 直接喷射到被冷却或加热的表面，由于流程短，在射流冲击驻点区 附近形成很薄的边界层，因而具有极高的传热效率，其换热系数要比通常的对 流换热方式高出几倍甚至1 个数量级【2 刀。 微射流冲击按照工作介质的特性，可分为气体射流和液体射流，其中液体 射流又可分为浸没射流和自由表面射流。按照射流的数目分类，可分为单孔射 流和阵列射流，按照壁面温度和射流温度之差，可分为单相射流和沸腾射流。 除此以外，微射流冲击还可根据喷嘴形状来进行分类，可分为圆形射流、窄缝 第】亭前言 詈皇曼鼍曼曼曼皇1 _ i 皇曼舅曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼鼍皇曼曼曼曼! 皇曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇 射流和矩形射流。 目前对单孔微射流的理论和实验研究已经比较成熟。马重芳等人【2 8 - 3 0 】对微尺 度射流冲击强化传热规律进行了全面和深入的实验和理论研究。他们用直径小于 l m m 的喷嘴对不同的工质进行射流冲击传热实验，并考察不同型式的喷嘴包括圆 形和狭缝形喷嘴的射流冲击传热效果。研究表明，在微尺度射流冲击条件下( 射 流直径小于l m m ) ，局部换热系数仍呈钟形分布，即驻点换热系数最高，随着径 向位置远离驻点，局部换热系数逐渐减小。 多孔微射流相比单孔微射流要复杂的多，不仅射流孔之间流体流动会相互干 扰，而且流体流出射流区的路径也会对它的传热效率产生重要影响。马晓雁等【3 l 】 以氮气和水为冷却工质对射流孔直径为0 1 5 m m 微射流阵列热沉的阻力特性进行 了实验研究，并将实验结果和理论计算结果进行了比较。结果表明，热沉的实验 压降值低于计算值，热沉总阻力主要是由局部阻力引起的，占到热沉总阻力的 9 0 。刘青等【3 2 l 对用于大功率半导体激光器的微射流阵列热沉进行了三维数值模 拟，结果表明，二列微射流热沉比单列微射流换热性能有明显的改善。张忠江等 p 列人对微射流阵列热沉的传热特性进行了实验研究，所用阵列射流孔阵列采用两 列3 1 个直径为0 1 5 r a m 的微射流孔交错排列，实验结果表明采用射流阵列，可以 增强冲击表面整体换热，使被冷却表面温度分布趋于均匀。夏国栎等【3 4 】以去离子 水为工质，对微阵列射流冲击光滑和肋化表面的传热特性进行了实验研究，并以 光滑表面传热性能为基准，讨论了肋化表面强化因子变化规律。实验结果表明： 浸没和自由射流的传热系数均受无量纲射流距离( 剧由影响，提高射、凇e 数和 减小无量纲孔间距( 力都能够增强换热；浸没射流强化因子受h d 影响大，而 自由射流强化因子基本不受彤响。 1 3 国内外的研究现状 1 3 1 宏观尺度下流体横掠针肋热沉的研究现状 关于流体横向掠过针肋阵列热沉的传热与流动特性的研究工作大多集中在 宏观尺度范围内。上个世纪，人们对横掠管束、透平机械叶片冷却等方面进行 了大量的研究，积累了许多关于水或空气( 大部分是空气) 掠过不同形状的针 肋阵列( 包括圆形、矩形、椭圆形、六边形、扁豆形等) 时的温度和压降的数 据，建立了关于层流、过渡流和湍流的摩擦系数和平均努谢尔特数关联式，用 这些关联式来改进大尺度系统的设计。 1 3 1 1 针肋热沉的压降 流体横掠常规尺度的管束( 针肋) 压降特性研究：r u t h 3 5 】比较了换热器中 流体横掠扁豆形管束和圆形管束的流动特性，通过研究得出结论：在 2 1 0 4 r e 5 x 1 0 4 时，横掠扁豆形管束c p 2 c h ( c f 指摩擦系数，劭指斯坦顿数) 北j il 业人7 ：i ：7 ：j 页- f 。：何沦艾 的值比横掠圆形管大2 0 ，原因是横掠扁豆形管束有较低的加速度和压力梯度， 使得流动边界层脱离滞后产生阻力；s p a r r o w 和g r a n n i s 【3 6 】对空气横掠叉排菱形 针肋( 顶角分别为4 5 0 、9 0 0 ) 流动特性进行了研究，以肋的当量直径为特征长 度，雷诺数r e 在2 0 - 2 2 0 0 之间。研究发现在低雷诺数( r e 8 ) 压 降的最常规关联式进行了讨论，分别提出管束顺排和叉排时适用于层流区、过 渡区和紊流区( 1 _ r e s _ 3 x 1 0 5 ，n r ( 管排数) 兰5 ) 的压降普遍关联式。该关联式综 合考虑了流体温度、管排数和管子几何结构的影响。可以看出：对于流体横掠 常规尺度的管束( 针肋) 来说，管束( 针肋) 形状、几何分布、管排数等因素 对压降产生很大影响。针对横掠长管束的提出的经验关联式很多，如s p a r r o w 和g r a n n i s 3 6 、g a d d i s 和g n i e l s k i p 7 1 、g u n t h e r 和s h a w 3 引、j a c o b 3 9 1 、b e r g e l i n 等【删等。 流体横掠中等尺寸针肋压降特性研究：d a m e r o w 掣4 i 】在布置不同问距针肋 阵列的通道中测量压降，其中针肋h d 范围为2 - - 一4 ，从不同的h d 和s d 的 大量实验数据发现，高径比并没有影响摩擦系数；m e t z g e r 等【4 2 】得出相同结论； s h o r t 等【4 3 】指出对中等尺度的管束来说，在层流时摩擦系数显著依赖于高径比， 不过在湍流时却不存在这种依赖性。 1 3 1 2 针肋热沉的单相传热 横掠长管的情形通常用在管壳式换热器中，因此早期的学者们主要是对长 径比大于8 的长圆柱进行研究( 如z u k a u s k a s 4 4 】，m o r g a n 【4 5 】) ，他们从不同排列结 构和流动形式方面对换热关系式进行了分类，尺寸分析表明横掠管束的对流换 热特性随雷诺数( r e y n o l d sn u m b e r ) 和普朗特数( p r a n d t ln u m b e r ) 而变化。另一个 极端情况是长径t e d , 于l 2 的短柱，w e b b 【4 6 】指出短柱通常用于紧凑式换热器中。 而关于横掠中等尺度针肋的研究主要集中在对透平机械的叶片冷却d ? ( m o o r e s 和j o s h i 4 。，这与微尺度下流体横掠针肋情形在结构上有相似之处。 文献中关于流体横掠长管束的换热系数( n u s s e l tn u m b e r ) 关联式很多。按 管束的形状分类有：圆形阵列( w h i t a k e r t 4 8 1 ，z u k a u s k a s 【4 4 1 ，h w a n g 和y a o 【4 9 1 、 e 1 s h e i k h 和g 撕m e l l a 【5 0 】等) 、矩形阵列( i g a r a s h i 5 1 】1 、卵形阵列( m e r k e r 和 h a n k e 【5 2 1 、菱形阵列( s p a r r o w 和g r a n n i s 3 6 1 ) 、扁豆形阵列( r u t h 3 5 】) 等等。 横掠中等尺度针肋的研究：k a y s 和l o n d o n 5 3 】在研究h d = 7 7 2 的p f 一4 型 针肋时，指出长径比大的针肋比长径l t d , 的换热性能好；b r i g h a m 和v a n f o s s e n 【5 4 对h d = 4 的较长针肋进行了研究，结果发现此针肋要比小长径比针肋具有高 得多的平均换热系数，他们同时对比了不同研究者的结果，得出以下结论：当 h d 小于3 时，长径比的变化对平均换热系数没有直接影响，而h d 大于3 时， 第1 章前言 鼍l i i i l _ i ii il i 鼍皇量 随着长径比的增大，换热急剧增强；a r m s t r o n g 和w i n s t a n l e y _ ”】对流体横掠中等 尺度叉排阵列热沉做了综述。他们指出因为端壁效应短针肋的平均传热系数低 于长圆柱的平均传热系数；s p a r r o w 等【5 6 】研究了横掠粘合在平壁上的圆柱的端 壁效应，指出壁面和圆柱的相互作用区域局限在约离端壁一个圆柱直径的范围 内，并随着雷诺数的减小逐渐向主流区加深。在这个相互作用区域的地方换热 系数要比不受端壁影响的区域低；c h y u 等【57 】研究了窄通道中顺排和叉排针肋阵 列的传热和压降特性，采用了三种不同横截面形状的针肋，分别为圆形、方形 和菱形。他们指出因为方形针肋阵列具有较好的传热特性和适中的压力损失， 对换热器来说，是最好的针肋阵列。可以看出：横掠中等尺度针肋传热特性与 高径比、端壁效应、针肋形状、排列方式等因素有关。针对短管提出的经验换 热关联式有m o o r e s 和j o s h i 4 7 1 、b r i g h a m 和v a n f o s s 一5 4 1 、s h o r t 掣5 引、m e t z g e r 等【5 9 】等。 1 3 2 微尺度下流体掠过针肋热沉的研究现状 1 3 2 1 流体纵掠微针肋 迄今为止，对流体纵掠微针肋情形的研究己开展得十分广泛。c o p e l a n d 6 0 l 。 研究了多孔射流冲击针肋换热面时单相受迫对流换热和沸腾换热的特性，研究 工质为f c 7 2 ，实验中所用微针肋截面为方形，给出了以工质流速、针肋边长、 排列参数( a s p e c tr a t i o ) 为参量的单相传热系数和临界热流密度的关系式。 b r i g n o n i 掣6 1 】研究了多孔空气射流冲击针肋热沉的传热特性，所用热沉横截面 为2 0 m m x 2 0 m m ，其上敷设7 2 个直径为o 9 m m ，高度为16 4 m m 的圆形截面针 肋。c h i e n 等【6 2 】利用风扇对微针肋阵列表面进行垂直冲击，对尺寸为1 0 0 一- 2 0 0 a m 范围的方形微针肋换热特性进行了实验研究；e 1 s h e i k h 和g a r i m e l l a 5 0 ，6 3 1 研究了 受限空气垂直冲刷叉排针肋热沉的传热特性，得到了针肋高度、针肋直径等参 数对热沉表面传热特性的影响；“和g 撕m e l l a 【6 4 1 、g a r i m e l l a 6 5 】指出具有不同热 物性的流体掠过针肋阵列时其努塞尔数( n u s s e l tn u m b e r ) 随其它参数的变化规 律会呈现明显的差别。i s s a 和o r t e g a 6 6 】对射流冲击针肋阵列的流动和传热特性 进行了实验研究，他们指出压力损失系数对雷诺数的依赖较弱，这种依赖性随 着肋柱密度和直径的增加而增大，随肋高和间隙率的增大而减小：基板和环境 之间总的热阻随雷诺数、肋密度和直径的增加而减小。 需要指出的是，上述大多数研究工作以气体为工质。假使采用传热性能优 越、普朗特数较高的冷却工质，流体纵掠微针肋的换热性能会更好。 1 3 2 2 流体横掠微针肋 流体横掠微针肋阵列热沉是在微通道内敷设与流体主流方向垂直的针肋阵 列，这样的结构既增加了流体流动的扰动，也增加了对流换热换热面积，与微 ，l 匕京l ：、i k l j 宁：r 字：7 i f ! t j 孚：f f 论文 通道热沉或其它的微热沉相比，有更好的换热性能。 宏观尺度下的研究结果为在微尺度条件下开展相关研究提供了很多有价值 的信息。但是从微细尺度的研究中，我们得知：当尺寸微细化后，其流动和传 热规律己明显不同于常规尺度下的流动和传热现象【6 m 引。因此，微尺度下流体 横掠针肋特性并不能通过常规尺度相似结构的研究结果简单地推演得出。 文献中微尺度下对流体横掠针肋进行的研究有： m a r q u e s 和k e l l y 【6 9 l 对设置有直径为5 0 0 l r t m 叉排微针肋阵列( h d = - 1 0 ， 渺s 刀d = - 2 5 ) 的热交换器进行了实验研究，实验使用气体横向冲刷微针肋， r e ( 特征长度为通道的水力直径) 的变化范围为4 0 0 0 2 0 0 0 0 ，结果显示针肋引进 后换热器的传热率从4 1 增加到5 5 。同时他们给出下面的换热关联式： n u = 0 0 0 2 2r e l 2 2 1p r 0 4 ( 4 5 0 0 r e 19 2 0 0 )( 1 - 1 ) p e l e s 掣1 7 0 】首先发展了一个模型来预测流体横向掠过微针肋表面时热沉的 总热阻，由于缺乏微尺度条件下流体横掠微针肋阵列时流动与传热特性的实验 数据，其模型中采用了一些宏观尺度下的相关研究结果。 k o s a r 等以去离子水为工质，分别对低雷诺数下流体横掠叉排和顺排微 针肋阵列的流动特性进行了实验研究，针肋横截面分别为圆形和菱形，其当量 直径分别为5 0 i _ t m 和1 0 0 p m ，肋高为1 0 0 p m 。结果表明，在低雷诺数下微针肋 高度与当量直径之比( 爿r d ) 对摩擦系数有重大影响，且随着雷诺数的增加， 影响逐渐减弱。他们在实验基础上，同时综合考虑了针肋密度和端壁效应等因 素，提出以下的阻力关联式： 厂= 鲁( 揣) 也( 学卜专( 志) 弋警广2 ， 式中的常数因针肋形状和布置方式而不同。 k o s a r 等【7 2 】对流体横掠叉排微针肋束时的传热和压降特性进行了实验研究， 实验工质为去离子水，微针肋的高度为2 4 3 m ，当量直径为9 9 5 m 。他们指出 通过合理地设计微针肋热沉，可以在保持优越传热性能的基础上有效减小流动 阻力，进而降低泵功消耗。但当他们用自己提出的微尺度阻力关联式对此实验 结果进行估计时，也出现了不小的偏差，说明微尺度下流体横掠针肋的换热和 阻力关系式有待进一步的研究和探索。k o s a r 等 7 3 , 7 4 1 又以制冷剂r 1 2 3 为工质， 对微针肋的流动沸腾特性进行了初步研究，针肋横截面分别为圆形和水翼形。 之后，k o s a r 等【7 5 】对五种不同间距、布置形式、形状的微针肋热沉的传热 与压降进行了参数影响评价研究，通过比较这五种微针肋热沉在定质量流量、 定压降、定泵功下的微针肋热沉的性能，讨论各个参数对微针肋热沉性能的影 响。对比结果显示非流线型的微针肋热沉努塞尔特数和雷诺数的依变关系在某 第1 “w - 前言 兽曼曼鼍舅m mmmm u 皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼! ! ! ! 曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼 一临界雷诺数时发生转变，而型的微针肋热沉没有发现斜率的变化。同时结果 表明，应用流线型的微针肋热沉能大大促进热沉的热工水力性能，但仅仅在适 度的雷诺数范围内。 p r a s h e r 等【7 6 】对水横掠叉排微针肋热沉进行了实验研究，针肋形状有圆形 和方形两种，当量直径在5 0 - - 1 5 3 之间，肋高在1 5 5 - - 一3 1 0 p m 之间，雷诺数变 化范围为4 0 1 0 0 0 。结果显示，摩擦阻力系数与努塞尔特数对雷诺数的依变关 系都在r e = 1 0 0 左右发生了转变。他们根据实验数据分别提出如下的的平均努谢 尔特数和摩擦系数关联式： r e 1 0 0 时， f = 1 1 8