發(fā)布時間：2017-08-18 10:04

  本文關鍵詞：微肋陣流動與強化傳熱研究

  更多相關文章： 微肋陣 流動阻力 對流換熱 疏水性 強化換熱

【摘要】：近年來,飛速發(fā)展的電子科技行業(yè)給社會及日常生活帶來日新月異變革的同時,呈級數倍增長的芯片集成度和功率也對集成電子的散熱問題提出了更高的要求,為了保證大功率高集成度電子元器件的正常運行,微小空間高效散熱已經成為傳熱領域的熱點問題,其中微肋陣結構由于面體比大、換熱效率高而受到越來越多的關注。本文針對微肋陣結構,提出并設計了一體化微肋陣流動與換熱通道,在搭建的微肋陣流動與換熱實驗平臺上,實驗研究了不同截面形狀微肋陣內的單相流動與傳熱,通過與平直微通道內微肋陣流動與換熱的對比,明確了微肋陣結構對于單相對流傳熱具有較好的強化效果,相同水力直徑微肋陣在相同雷諾數(Reynolds number, Re)下的努賽爾數(Nusselt number, Nu)比平直矩形微通道高200%以上。通過對不同截面形狀微肋陣內的流動與傳熱的研究,發(fā)現由于受端壁面效應影響,低流量下不同截面形狀微肋陣內壓力降之間的差別較小,該差別隨著流量的增加而逐漸增大。在本文的實驗測試工況范圍內,軸向導熱對于微肋陣內對流換熱的影響基本可以忽略不計。當Re較低時,各加熱功率下不同截面形狀微肋陣內Nu都相差不大；隨著Re的增加,微肋陣內的端壁面效應減弱,不同形狀微肋陣內的對流換熱Nu之間的偏差變得逐漸明顯。加熱功率是影響微肋陣對流換熱性能的關鍵參數之一,隨著加熱功率的增大,不同形狀微肋陣在相同流量下的壓力降增大,且不同加熱功率下壓力降的變化率隨流量的增加而減�。桓餍螤钗⒗哧噧攘鲃幼枇ο禂稻S加熱功率的增加而有所增大,低Re數下最大增幅均高于110%。受尾流區(qū)流動轉捩的影響,當Re400后加熱功率不再對圓形和菱形截面微肋陣內流動阻力系數產生影響,而對三角形微肋陣而言,該現象出現于Re250。同時,加熱功率的增加強化了圓形和菱形微肋陣內的對流換熱,其內部平均Nu隨加熱功率的增加而增大的最大增幅均高于50%。當Re250時三角形微肋陣內Nu隨加熱功率的增加有所增大,當Re250時則出現相反現象。3種形狀微肋陣熱阻隨加熱功率的增加而明顯減小,對于圓形及菱形截面微肋陣,當Re600后加熱功率對于熱阻的影響基本可以忽略,而對于三角形微肋陣,可忽略加熱功率影響的關鍵Re則為250。針對微肋陣流動阻力損失較大的瓶頸問題,本文通過在微肋陣流動表面上涂覆不同含量納米粒子涂層的方法,獲得了具有不同表面接觸角的疏水性微肋陣,并研究了表面疏水性對于微肋陣內流動阻力和傳熱的影響規(guī)律。通過對比疏水性微肋陣與普通微肋陣的流動規(guī)律,發(fā)現表面疏水性處理能夠顯著降低流動阻力,同時推遲流動分離和尾流區(qū)轉捩,因此疏水性處理對于分離較早、壓差阻力較大的微肋陣具有更加明顯的減阻效果。相同Re下,微肋陣內阻力系數變化率隨接觸角的增加而逐漸增大；同一接觸角下,橢圓形微肋陣內阻力系數變化率隨Re的增大而逐漸減小,菱形和圓形則先減小后保持常數；當接觸角為151.5。時菱形和圓形微肋陣內最小阻力系數變化率分別為50.81%和58.68%。當接觸角較小時,低Re下橢圓形微肋陣內阻力系數變化率要高于菱形和圓形微肋陣,當Re600時前者要低于后兩者；隨著接觸角的增大,圓形微肋陣內阻力系數變化率要明顯高于菱形和橢圓形微肋陣,菱形和橢圓形微肋陣在低Re下較為接近,在高Re下前者的阻力系數變化率要高于后者。表面疏水性處理使微肋陣內流動阻力大幅度降低的同時,也對傳熱產生了較大影響。由于疏水性涂層的導熱系數要低于紫銅基微肋陣,由此帶來的熱阻使得疏水性微肋陣內對流換熱Nu有所降低,尤其是在較高Re數下,疏水性微肋陣內的Nu明顯低于無疏水性涂層微肋陣。為了定量評估疏水性處理對于微肋陣結構流動和傳熱的綜合影響,本文對不同接觸角微肋陣內的能效特性進行了估算,發(fā)現Re較低時疏水性微肋陣內的綜合強化傳熱效果較為明顯,然而隨著Re的增加,該綜合強化傳熱效果有所下降,當Re400時只有接觸角為119.5。和151.50的疏水性微肋陣內的綜合傳熱效果得到了明顯強化。本文建立了矩形通道內單個微圓柱及微肋陣的流固耦合流動與傳熱數學模型,通過數值模擬方法考察了熱流密度、微圓柱直徑、寬高比、體比等因素對單個微圓柱及微肋陣內的流動分離特性的影響。對于單個微圓柱,流動分離角和分離長度均隨熱流密度的增加而增大,且回流長度沿微圓柱軸向呈非對稱分布,這一點顯著區(qū)別于加熱狀態(tài)下的常規(guī)尺度圓柱繞流。另外,靠近加熱壁面附近區(qū)域截面上的回流長度隨著寬高比和體比的增加而逐漸增大,且明顯大于遠離加熱壁面區(qū)域的回流長度；同時,相同截面上的回流長度和分離角隨著寬高比和體比的增加而逐漸增加。對于微肋陣,肋片尾流區(qū)的分離角和回流長度與肋片所處位置有關,同一排微肋片繞流的分離角沿流動方向逐漸減小,同一微圓柱的繞流分離角隨Re數的增加而增大；微肋片繞流的回流長度主要由肋片間距決定。通過對不同排布和肋片間距、肋高、水力直徑的微肋陣內流場和溫度場的數值模擬發(fā)現,減小微肋片水力直徑、肋片間距或增加肋高可以強化微肋陣內的對流換熱,而微肋陣沿流動方向的列數的增加則使得對流換熱系數略有減小�；跀抵的M結果獲得了新的阻力系數及Nu關聯(lián)式,能夠對微肋陣內部流動特性進行有效估算。通過模擬不同加熱功率下微肋陣內流場與溫度場發(fā)現,加熱功率的增大及其導致的流體熱物性變化使邊界層厚度的降低幅度達30%以上,因此明顯削弱了端壁面效應,強化了微肋陣內的對流換熱,使Nu值增大20%以上。加熱功率的增加會弱化端壁面效應對微肋陣內對流換熱的影響,因此盡管微肋陣內的對流換熱Nu均隨加熱功率增大而增加,但是不同肋高微肋陣內對流換熱Nu數之間的差距隨加熱功率的增加有所降低。工質動力粘度對于微肋陣內對流換熱的影響要遠高于其他熱物性參數,本文研究范圍內其對Nu數的影響因子高達20%以上。
【關鍵詞】：微肋陣 流動阻力 對流換熱 疏水性 強化換熱
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TK124
【目錄】：

• 摘要12-15
• ABSTRACT15-20
• 主要符號表20-23
• 第1章 緒論23-41
• 1.1 研究背景23-25
• 1.2 微小通道內單相流動與傳熱25-29
• 1.2.1 流動研究現狀26-27
• 1.2.2 對流換熱研究現狀27-29
• 1.3 微肋陣單相流動與換熱29-37
• 1.3.1 不同形狀微肋陣流動與換熱研究現狀30-33
• 1.3.2 幾何結構對微肋陣流動與換熱影響研究現狀33-36
• 1.3.3 流體工質對微肋陣流動與換熱影響研究現狀36-37
• 1.4 疏水性微通道內流動與換熱37-39
• 1.5 本課題研究內容及論文結構39-41
• 第2章 微肋陣內對流換熱特性實驗研究41-65
• 2.1 引言41-42
• 2.2 微肋陣實驗段42-44
• 2.3 對流換熱實驗系統(tǒng)44-50
• 2.3.1 實驗系統(tǒng)及測試流程44-46
• 2.3.2 數據處理46-48
• 2.3.3 誤差分析48-50
• 2.4 微肋陣與平直矩形微通道內對流換熱對比50-51
• 2.5 不同截面形狀微肋陣內對流換熱51-58
• 2.5.1 不同截面形狀微肋陣內流動阻力51-56
• 2.5.2 不同截面形狀微肋陣內對流換熱56-58
• 2.6 變加熱功率下微肋陣內對流換熱58-63
• 2.6.1 變加熱功率下微肋陣內流動阻力58-61
• 2.6.2 變加熱功率下微肋陣內對流換熱61-63
• 2.7 本章小結63-65
• 第3章 疏水性微肋陣對流換熱實驗研究65-95
• 3.1 引言65
• 3.2 實驗段制備65-68
• 3.2.1 制備流程65-66
• 3.2.2 表面測試66-68
• 3.3 疏水性微肋陣內流動及換熱測試68-71
• 3.4 表面疏水性對微肋陣內流動阻力影響71-85
• 3.4.1 截面形狀對疏水性微肋陣內減阻特性的影響72-78
• 3.4.2 接觸角對微肋陣內減阻特性的影響78-85
• 3.5 表面疏水性對微肋陣內對流換熱影響85-92
• 3.6 本章小結92-95
• 第4章 微肋陣內流動與換熱數值模擬95-130
• 4.1 引言95
• 4.2 單圓柱及微肋陣內穩(wěn)態(tài)對流換熱的流動分離數值模擬95-106
• 4.2.1 物理模型及網格95-96
• 4.2.2 控制方程及邊界條件96-98
• 4.2.3 計算方法驗證98-100
• 4.2.4 不同水力直徑微圓柱穩(wěn)態(tài)繞流模擬100-102
• 4.2.5 不同寬高比微圓柱穩(wěn)態(tài)繞流模擬102-103
• 4.2.6 不同體比微圓柱穩(wěn)態(tài)繞流模擬103-105
• 4.2.7 3×3微肋陣內穩(wěn)態(tài)繞流模擬105-106
• 4.3 微肋陣內對流換熱數值模擬106-118
• 4.3.1 物理模型及計算模型106-108
• 4.3.2 不同排布微肋陣內的流場和溫度場108-115
• 4.3.3 不同幾何參數微肋陣內的對流換熱115-117
• 4.3.4 數值模擬結果與實驗值的對比117-118
• 4.4 工質熱物性對微肋陣內對流換熱的影響118-127
• 4.4.1 物理模型及計算模型119-120
• 4.4.2 與實驗值的對比及分析120-127
• 4.5 本章小結127-130
• 第5章 總結與展望130-137
• 5.1 全文總結130-134
• 5.2 本文創(chuàng)新點134-135
• 5.3 工作展望135-137
• 參考文獻137-161
• 攻讀博士學位期間發(fā)表的主要成果161-163
• 致謝163-164
• 學位論文評閱及答辯情況表164

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