隨著微電子和集成電路等技術(shù)的進步和發(fā)展,電子芯片向著功能多、功率高、速度高和微小型化的方向發(fā)展。其越來越高的功率,導(dǎo)致電子芯片產(chǎn)生的較高的熱流密度得不到去除,表面溫度急劇上升,產(chǎn)品使用壽命隨之降低,嚴重制約了高新技術(shù)的發(fā)展。傳統(tǒng)的空氣冷卻技術(shù)已經(jīng)滿足不了高熱流密度電子芯片的需要,而在液體冷卻技術(shù)中,微通道具有結(jié)構(gòu)小型、所需制冷劑用量少和散熱量高等優(yōu)點,使得微通道成為一種理想的電子器件散熱器,也受到越來越多學(xué)者的關(guān)注。對于微通道流動換熱的研究已經(jīng)由矩形、三角形和圓形等簡單的微通道結(jié)構(gòu)逐步的向復(fù)雜的微通道結(jié)構(gòu)方向發(fā)展。本文設(shè)計加工了一種并聯(lián)矩形突擴微通道,以水、乙醇和氮氣為工質(zhì),采用理論分析和實驗研究手段,研究了水、乙醇單相工質(zhì)和乙醇/氮氣兩相工質(zhì)在熱態(tài)條件下的流動與換熱特性以及乙醇/氮氣在冷態(tài)下的氣液兩相流流型。單相工質(zhì)研究表明:對流動特性而言,隨著雷諾數(shù)的增大,工質(zhì)的進出口壓降增大,并且相同流速下,乙醇的進出口壓降比水大;相同熱流密度下,工質(zhì)進出口壓降隨著流量的增加而增加,但是隨著流量的增加,不同熱流密度間的壓降差值減小。對換熱特性而言,水和乙醇的微通道底面溫度均隨著雷諾數(shù)的增大而降低,但是在Re=225以后,微通道壁面溫度下降幅度逐漸變緩;相同條件下,水的平均換熱系數(shù)可達到7 000~10 000 W/(m~2·K),而乙醇的平均換熱系數(shù)只能達到3 600~5 500 W/(m~2·K),水的換熱能力明顯大于乙醇。兩相工質(zhì)研究表明:對流動特性而言,乙醇/氮氣氣液兩相工質(zhì)的進出口壓降隨著液相折算速度和氣相折算速度的增大均呈現(xiàn)增大趨勢;隨著氣相折算速度的減小,分液相摩阻倍增系數(shù)Φ_l~2隨X增大時的減小趨勢變緩,不同氣相折算速度曲線幾乎連接成一條曲線,曲線的C值均等于2。對換熱特性而言,乙醇/氮氣的換熱能力要比乙醇單相時較好,隨著氮氣流速的增加,促進乙醇流動的能力越強,擾動越強,傳熱得到了強化,并且氮氣流速由0.089 m/s增加到0.268m/s時,微通道壁面的溫度可以降低2～3℃。對氣液兩相流流型而言,乙醇/氮氣氣液兩相工質(zhì)流動過程中,隨著氣相流速的增大,依次出現(xiàn)泡狀流、塞狀流、彈狀流和環(huán)狀流;氣相進入儲液槽后,由于每條通道與進口距離不同,會出現(xiàn)流量分配不均問題,中間通道中氣體含量大于兩側(cè)通道。
【學(xué)位單位】：石家莊鐵道大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TK124;TN405
【部分圖文】：

減排和高新技術(shù)的發(fā)展具有非常重要的意義。關(guān)領(lǐng)域的研究進展相流動與換熱的研究年來，人們對于單相流動與傳熱的研究多集中在微通道的幾和流動工質(zhì)等的研究上，包括從矩形研究轉(zhuǎn)變到對梯形、三、半圓形和鋸齒形等結(jié)構(gòu)研究，從去離子水轉(zhuǎn)換到對納米流體流體的進出口方式和微通道尺寸的研究等。am I. E[4]對微通道換熱器進行實驗研究，研究了微通道內(nèi)的流關(guān)系。在一定的測量基礎(chǔ)上，計算了摩擦系數(shù)，繪制雷諾數(shù)為 3布圖。研究發(fā)現(xiàn)實驗?zāi)Σ料禂?shù)與理論方程吻合較好，在實驗出了摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)的相關(guān)關(guān)系，并且所提出的摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)及已有的相關(guān)關(guān)系非常吻合。

(a)Ti-水納米流體 (b)水圖 1-2 工質(zhì)有無納米顆粒時微通道底面溫度場對比Azizi[16]研究了 Cu-水納米流體在直徑為 25 nm 的圓柱形微通道散熱器中的流換熱系數(shù)和壓降。其中散熱器由 86 條軸向微通道組成，呈圓柱形。與以往似的實驗相比，在不存在較大壓降的情況下，納米流體在 0.3%的質(zhì)量分數(shù)時對流換熱系數(shù)有明顯的提高。然而，在一定程度上增加雷諾數(shù)會導(dǎo)致 MCH熱有效性和傳熱性能降低，這是由于納米顆粒在較高的流速下停留時間過短致與 MCHS 壁進行熱交換接觸的時間不足。最后，實驗結(jié)果表明，尋找最佳流動速率對于傳熱過程是至關(guān)重要的。Junmei Wu[17]數(shù)值研究了 Al2O3-水納米流體對改善 MCHS 整體性能的有效。研究發(fā)現(xiàn)與水相比，Al2O3-水納米流體可以降低 MCHS 的熱阻，改善 MCH底表面溫度分布的均勻性，且熱阻的降低與 MCHS 的基體材料有關(guān)。再者l2O3-水流體使得 MCHS 的泵功率損耗增加，這種損耗隨著納米流體體積濃度入口速度的增加而迅速增加。納米流體改善 MCHS 散熱特性與泵送功率有關(guān)有在泵送功率較高時，使用 Al2O3-水納米流體作為冷卻劑才能降低熱阻，因此

表面張力不同，微通道中氣泡的變化以及氣液兩相的流型有所不是在流型變化過程中都會依次出現(xiàn)泡狀流、彈狀流和拉伸氣泡流。并且發(fā)泡變化的過程的擾動是氣液兩相流動不穩(wěn)定的主要原因，當(dāng)表面張力降低相流動的壓降波動值可降低 2.1 kPa，流動穩(wěn)定性提高。J. Li[30]使用高速攝像機和顯微鏡，觀察水在沸騰下的兩相流動模型，并在的質(zhì)量流速下進行觀察，微通道內(nèi)的氣液兩相流型可以從局部蒸汽的生成辨別。觀察發(fā)現(xiàn)，在低質(zhì)量流速和低蒸汽發(fā)生速率條件下，流動為氣泡流等質(zhì)量流速和中等蒸氣發(fā)生速率下，流動為波浪流;在高質(zhì)量流速和高蒸汽速率時，流動為環(huán)形流。并且在所有情況下，各種流動狀態(tài)在長時間內(nèi)都定的。Aritra Sur[31]研究了內(nèi)徑分別為 100 μm、180 μm 和 324 μm 的圓形微通道道尺寸和表面相速度對空氣-水兩相流型和壓降的影響。采用高速攝像機對流流型進行觀察，觀察發(fā)現(xiàn)了四種基本的流型，即泡狀流、段塞流、波狀環(huán)狀流，建立了兩相流型圖，確定了不同流型之間的過渡邊界。為了統(tǒng)一尺寸微通道內(nèi)的流動過渡邊界，以修改后的韋伯?dāng)?shù)為坐標(biāo)繪制了新的流型

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本文編號：2831155