【摘要】：隨著半導(dǎo)體技術(shù),微電子機(jī)械技術(shù)(縮寫MEMS)等設(shè)備的快速發(fā)展,出現(xiàn)了大規(guī)模乃至是超大規(guī)模的集成設(shè)備,設(shè)備的集成程度越高,單位面積上的發(fā)熱量越大,嚴(yán)重影響了設(shè)備的工作性能以及工作壽命,越來(lái)越不能滿足現(xiàn)代設(shè)備冷卻散熱的要求,因此產(chǎn)生了微通道換熱器這一換熱設(shè)備,為了使微通道換熱器換熱效率得到有效的強(qiáng)化,從微通道的幾何結(jié)構(gòu)和內(nèi)部流動(dòng)換熱介質(zhì)兩方面入手,采用Fluent數(shù)值模擬研究方法研究不同流動(dòng)介質(zhì)(水和不同體積濃度的水基加三氧化二鋁顆粒的納米流體)在微通道內(nèi)的流動(dòng)阻力和換熱特性。首先,選取單根不同截面微通道內(nèi)流體層流狀態(tài)下的流動(dòng)與換熱情況進(jìn)行研究,對(duì)當(dāng)量直徑為0.1~0.4 mm,長(zhǎng)度為40 mm,截面形狀為正方形、梯形、正三角形共12種單微通道進(jìn)行數(shù)值模擬研究,研究當(dāng)量直徑、截面外形等幾何參數(shù)等對(duì)流動(dòng)工質(zhì)(水)在微通道內(nèi)的流動(dòng)與換熱特性的影響,得出努謝爾數(shù)Nu、摩擦阻力系數(shù)f、壓降Δp等隨雷諾數(shù)Re變化特性曲線,最后得到流動(dòng)阻力較小、換熱能力較強(qiáng)、泵功較小的單個(gè)微通道模型:當(dāng)量直徑為0.4 mm的正方形截面類型的微通道。其次,為了更加全面分析微通道工作情況,將已得到的最佳結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)度的單個(gè)微通道為基礎(chǔ),數(shù)值模擬研究微通道換熱器模型內(nèi)流體的流動(dòng)與換熱現(xiàn)象,在換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)基本尺寸(8 mm×800μm×40 mm)一定的條件下通過(guò)改變相鄰微通道間的間距(選用三種間距:0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm),得到最佳的微通道結(jié)構(gòu)模型:相鄰微通道間隔Δd為0.4 mm的微通道換熱器;在泵功允許的范圍內(nèi),微通道換熱器內(nèi)流體工質(zhì)的平均流速越大換熱效果越強(qiáng)。最后,在微通道換熱器研究的基礎(chǔ)上,選取單個(gè)正方形截面微通道,其壁面厚度為0.2 mm,當(dāng)量直徑為0.4 mm,長(zhǎng)為40 mm,研究其內(nèi)部流動(dòng)工質(zhì)(0%、0.1%、0.5%、1%的氧化鋁納米流體)的層流流動(dòng)與傳熱特性,并得出如下結(jié)論:與純水相比,水基氧化鋁納米流體可以使得微通道的換熱本領(lǐng)加強(qiáng),且換熱效果隨著體積分?jǐn)?shù)的增長(zhǎng)而加強(qiáng);且氧化鋁納米流體的加入并不會(huì)導(dǎo)致微通道內(nèi)流動(dòng)摩擦阻力系數(shù)的過(guò)大增加。最后擬合出正方形截面微通道的Nu以及摩擦阻力系數(shù)f與各無(wú)量綱參數(shù)間的傳熱和流動(dòng)關(guān)系式。
【圖文】：

所得出口平均流速相對(duì)誤差為 0.965 %，可認(rèn)為模擬結(jié)果對(duì)網(wǎng)格的依賴大，即可認(rèn)為通過(guò)了檢驗(yàn)，其它兩種截面類型的網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)原理同上。表 2-5 三種網(wǎng)格劃分結(jié)果對(duì)比表網(wǎng)格數(shù)/個(gè) 出口平均流速/(m·s-1) 相對(duì)誤差/%12× 12× 800=115 200 0.924 40.96512× 12× 1000=144 000 0.943 8當(dāng)量直徑為 0.4 mm 的正三角形截面微通道與梯形截面微通道網(wǎng)格劃分情如圖 2-3、2-4 所示，其網(wǎng)格數(shù)均為 115 200 個(gè)；用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，用指定在邊界上分點(diǎn)時(shí)所用的間隔數(shù)為劃分網(wǎng)格時(shí)的控制變量（Intervalount），以“Element：Hex/Wedge”和“Type：Cooper”的網(wǎng)格劃分方式，采用 Interval size 為 1 劃分體網(wǎng)格。當(dāng)量直徑為 0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm 的格劃分情況同理。

圖 2-4 梯形截面微通道部分網(wǎng)格劃分和局部放大示意圖2 數(shù)值模擬過(guò)程將建立的單個(gè)當(dāng)量直徑為 0.1~0.4 mm，長(zhǎng)度均為 40 mm 的正方形截面微通梯形截面微通道、正三角形形截面微通道的 12 種模型分別導(dǎo)入 Fluent 進(jìn)維數(shù)值模擬計(jì)算，微通道入口流速均為 1~6 m/s，微通道內(nèi)部流動(dòng)工質(zhì)均為流動(dòng)工質(zhì)的入口溫度均設(shè)為 293 K，微通道底部加以均勻恒定熱流6q =10-2，選擇分離式求解器，出口設(shè)為自由出流 outflow，進(jìn)口設(shè)為速度進(jìn)口 inlet，面均設(shè)為絕熱；由于目前微尺度理論沒(méi)有給出轉(zhuǎn)`防著凳淖既販段В鎒 數(shù)在 100~2 300 時(shí)為層流模型[60],控制方程采用一階迎風(fēng)格式，無(wú)滑移壁將 SIMPLE 算法作為壓力與速度耦合的算法，流體介質(zhì)去離子水在求解過(guò)為常物性參數(shù)，，求解殘差精度為610 。 數(shù)值模擬結(jié)果分析
【學(xué)位授予單位】：石家莊鐵道大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TK172

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2634116