發(fā)布時間：2020-04-20 03:50

【摘要】：隨著半導體技術,微電子機械技術(縮寫MEMS)等設備的快速發(fā)展,出現了大規(guī)模乃至是超大規(guī)模的集成設備,設備的集成程度越高,單位面積上的發(fā)熱量越大,嚴重影響了設備的工作性能以及工作壽命,越來越不能滿足現代設備冷卻散熱的要求,因此產生了微通道換熱器這一換熱設備,為了使微通道換熱器換熱效率得到有效的強化,從微通道的幾何結構和內部流動換熱介質兩方面入手,采用Fluent數值模擬研究方法研究不同流動介質(水和不同體積濃度的水基加三氧化二鋁顆粒的納米流體)在微通道內的流動阻力和換熱特性。首先,選取單根不同截面微通道內流體層流狀態(tài)下的流動與換熱情況進行研究,對當量直徑為0.1~0.4 mm,長度為40 mm,截面形狀為正方形、梯形、正三角形共12種單微通道進行數值模擬研究,研究當量直徑、截面外形等幾何參數等對流動工質(水)在微通道內的流動與換熱特性的影響,得出努謝爾數Nu、摩擦阻力系數f、壓降Δp等隨雷諾數Re變化特性曲線,最后得到流動阻力較小、換熱能力較強、泵功較小的單個微通道模型:當量直徑為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,將已得到的最佳結構和長度的單個微通道為基礎,數值模擬研究微通道換熱器模型內流體的流動與換熱現象,在換熱器結構參數基本尺寸(8 mm×800μm×40 mm)一定的條件下通過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構模型: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,微通道換熱器內流體工質的平均流速越大換熱效果越強。最后,在微通道換熱器研究的基礎上,選取單個正方形截面微通道,其壁面厚度為0.2 mm,當量直徑為0.4 mm,長為40 mm,研究其內部流動工質(0%、0.1%、0.5%、1%的氧化鋁納米流體)的層流流動與傳熱特性,并得出如下結論: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加強,且換熱效果隨著體積分數的增長而加強;且氧化鋁納米流體的加入并不會導致微通道內流動摩擦阻力系數的過大增加。最后擬合出正方形截面微通道的Nu以及摩擦阻力系數f與各無量綱參數間的傳熱和流動關系式。
【圖文】：

所得出口平均流速相對誤差為 0.965 %，可認為模擬結果對網格的依賴大，即可認為通過了檢驗，其它兩種截面類型的網格獨立性檢驗原理同上。表 2-5 三種網格劃分結果對比表網格數/個 出口平均流速/(m·s-1) 相對誤差/%12× 12× 800=115 200 0.924 40.96512× 12× 1000=144 000 0.943 8當量直徑為 0.4 mm 的正三角形截面微通道與梯形截面微通道網格劃分情如圖 2-3、2-4 所示，其網格數均為 115 200 個；用結構化網格進行網格劃分，用指定在邊界上分點時所用的間隔數為劃分網格時的控制變量（Intervalount），以“Element：Hex/Wedge”和“Type：Cooper”的網格劃分方式，采用 Interval size 為 1 劃分體網格。當量直徑為 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格劃分和局部放大示意圖2 數值模擬過程將建立的單個當量直徑為 0.1~0.4 mm，長度均為 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 種模型分別導入 Fluent 進維數值模擬計算，微通道入口流速均為 1~6 m/s，微通道內部流動工質均為流動工質的入口溫度均設為 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，出口設為自由出流 outflow，進口設為速度進口 inlet，面均設為絕熱；由于目前微尺度理論沒有給出轉`防著凳淖既販段�，规e 數在 100~2 300 時為層流模型[60],控制方程采用一階迎風格式，無滑移壁將 SIMPLE 算法作為壓力與速度耦合的算法，流體介質去離子水在求解過為常物性參數，，求解殘差精度為610 。 數值模擬結果分析
【學位授予單位】：石家莊鐵道大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TK172

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 林瑩;于新海;;微通道軸向導熱的拉曼測溫實驗研究及數值模擬[J];熱能動力工程;2015年01期

2 何穎;邵寶東;程赫明;;等邊三角形微通道內層流的流動特性和換熱特性的研究[J];應用數學和力學;2014年03期

3 靳遵龍;李水云;雷佩玉;劉敏珊;張志超;;矩形微通道內單相液體湍流對流流動與換熱數值研究[J];壓力容器;2013年05期

4 寧常軍;羅小平;;微通道內納米流體換熱與壓降特性[J];中南大學學報(自然科學版);2012年08期

5 夏國棟;柴磊;齊景智;;梯形硅基微通道熱沉流體流動與傳熱特性研究[J];北京工業(yè)大學學報;2011年07期

6 劉明艷;徐向華;梁新剛;;高熱流密度下矩形微小通道對流換熱的模擬與優(yōu)化[J];工程熱物理學報;2010年04期

7 邵寶東;王麗鳳;李建云;;高熱流密度芯片冷卻用微槽道冷卻熱沉有限元模擬[J];昆明理工大學學報(理工版);2008年06期

8 邵寶東;王麗鳳;李建云;程赫明;;高熱流密度芯片冷卻用微槽道熱沉的優(yōu)化及數值模擬[J];昆明理工大學學報(理工版);2008年05期

9 吳信宇;吳慧英;屈健;鄭平;;納米流體在芯片微通道中的流動與換熱特性[J];化工學報;2008年09期

10 陸向迅;徐斌;吳建;王洋;薛宏;;矩形微通道內液體流動與傳熱的數值模擬研究[J];節(jié)能技術;2008年02期

相關博士學位論文 前4條

1 翟玉玲;復雜結構微通道熱沉流動可視化及傳熱過程熱力學分析[D];北京工業(yè)大學;2015年

2 劉用鹿;高效微小通道熱沉散熱系統(tǒng)設計及其實驗研究[D];華中科技大學;2010年

3 張邵波;納米流體強化傳熱的實驗和數值模擬研究[D];浙江大學;2009年

4 李強;納米流體強化傳熱機理研究[D];南京理工大學;2004年

相關碩士學位論文 前2條

1 劉英楠;微通道換熱器的數值模擬[D];大連理工大學;2016年

2 郭健;微通道內單相液體流動與傳熱特性研究[D];北京交通大學;2012年

本文編號：2634116