本文關(guān)鍵詞：微肋陣流動(dòng)與強(qiáng)化傳熱研究

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【摘要】：近年來(lái),飛速發(fā)展的電子科技行業(yè)給社會(huì)及日常生活帶來(lái)日新月異變革的同時(shí),呈級(jí)數(shù)倍增長(zhǎng)的芯片集成度和功率也對(duì)集成電子的散熱問(wèn)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(yùn)行,微小空間高效散熱已經(jīng)成為傳熱領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題,其中微肋陣結(jié)構(gòu)由于面體比大、換熱效率高而受到越來(lái)越多的關(guān)注。本文針對(duì)微肋陣結(jié)構(gòu),提出并設(shè)計(jì)了一體化微肋陣流動(dòng)與換熱通道,在搭建的微肋陣流動(dòng)與換熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上,實(shí)驗(yàn)研究了不同截面形狀微肋陣內(nèi)的單相流動(dòng)與傳熱,通過(guò)與平直微通道內(nèi)微肋陣流動(dòng)與換熱的對(duì)比,明確了微肋陣結(jié)構(gòu)對(duì)于單相對(duì)流傳熱具有較好的強(qiáng)化效果,相同水力直徑微肋陣在相同雷諾數(shù)(Reynolds number, Re)下的努賽爾數(shù)(Nusselt number, Nu)比平直矩形微通道高200%以上。通過(guò)對(duì)不同截面形狀微肋陣內(nèi)的流動(dòng)與傳熱的研究,發(fā)現(xiàn)由于受端壁面效應(yīng)影響,低流量下不同截面形狀微肋陣內(nèi)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(shí)驗(yàn)測(cè)試工況范圍內(nèi),軸向?qū)釋?duì)于微肋陣內(nèi)對(duì)流換熱的影響基本可以忽略不計(jì)。當(dāng)Re較低時(shí),各加熱功率下不同截面形狀微肋陣內(nèi)Nu都相差不大；隨著Re的增加,微肋陣內(nèi)的端壁面效應(yīng)減弱,不同形狀微肋陣內(nèi)的對(duì)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(duì)流換熱性能的關(guān)鍵參數(shù)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��；各形狀微肋陣內(nèi)流動(dòng)阻力系數(shù)均隨加熱功率的增加而有所增大,低Re數(shù)下最大增幅均高于110%。受尾流區(qū)流動(dòng)轉(zhuǎn)捩的影響,當(dāng)Re400后加熱功率不再對(duì)圓形和菱形截面微肋陣內(nèi)流動(dòng)阻力系數(shù)產(chǎn)生影響,而對(duì)三角形微肋陣而言,該現(xiàn)象出現(xiàn)于Re250。同時(shí),加熱功率的增加強(qiáng)化了圓形和菱形微肋陣內(nèi)的對(duì)流換熱,其內(nèi)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(dāng)Re250時(shí)三角形微肋陣內(nèi)Nu隨加熱功率的增加有所增大,當(dāng)Re250時(shí)則出現(xiàn)相反現(xiàn)象。3種形狀微肋陣熱阻隨加熱功率的增加而明顯減小,對(duì)于圓形及菱形截面微肋陣,當(dāng)Re600后加熱功率對(duì)于熱阻的影響基本可以忽略,而對(duì)于三角形微肋陣,可忽略加熱功率影響的關(guān)鍵Re則為250。針對(duì)微肋陣流動(dòng)阻力損失較大的瓶頸問(wèn)題,本文通過(guò)在微肋陣流動(dòng)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(duì)于微肋陣內(nèi)流動(dòng)阻力和傳熱的影響規(guī)律。通過(guò)對(duì)比疏水性微肋陣與普通微肋陣的流動(dòng)規(guī)律,發(fā)現(xiàn)表面疏水性處理能夠顯著降低流動(dòng)阻力,同時(shí)推遲流動(dòng)分離和尾流區(qū)轉(zhuǎn)捩,因此疏水性處理對(duì)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(nèi)阻力系數(shù)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(nèi)阻力系數(shù)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(shù)；當(dāng)接觸角為151.5。時(shí)菱形和圓形微肋陣內(nèi)最小阻力系數(shù)變化率分別為50.81%和58.68%。當(dāng)接觸角較小時(shí),低Re下橢圓形微肋陣內(nèi)阻力系數(shù)變化率要高于菱形和圓形微肋陣,當(dāng)Re600時(shí)前者要低于后兩者；隨著接觸角的增大,圓形微肋陣內(nèi)阻力系數(shù)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(shù)變化率要高于后者。表面疏水性處理使微肋陣內(nèi)流動(dòng)阻力大幅度降低的同時(shí),也對(duì)傳熱產(chǎn)生了較大影響。由于疏水性涂層的導(dǎo)熱系數(shù)要低于紫銅基微肋陣,由此帶來(lái)的熱阻使得疏水性微肋陣內(nèi)對(duì)流換熱Nu有所降低,尤其是在較高Re數(shù)下,疏水性微肋陣內(nèi)的Nu明顯低于無(wú)疏水性涂層微肋陣。為了定量評(píng)估疏水性處理對(duì)于微肋陣結(jié)構(gòu)流動(dòng)和傳熱的綜合影響,本文對(duì)不同接觸角微肋陣內(nèi)的能效特性進(jìn)行了估算,發(fā)現(xiàn)Re較低時(shí)疏水性微肋陣內(nèi)的綜合強(qiáng)化傳熱效果較為明顯,然而隨著Re的增加,該綜合強(qiáng)化傳熱效果有所下降,當(dāng)Re400時(shí)只有接觸角為119.5。和151.50的疏水性微肋陣內(nèi)的綜合傳熱效果得到了明顯強(qiáng)化。本文建立了矩形通道內(nèi)單個(gè)微圓柱及微肋陣的流固耦合流動(dòng)與傳熱數(shù)學(xué)模型,通過(guò)數(shù)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(duì)單個(gè)微圓柱及微肋陣內(nèi)的流動(dòng)分離特性的影響。對(duì)于單個(gè)微圓柱,流動(dòng)分離角和分離長(zhǎng)度均隨熱流密度的增加而增大,且回流長(zhǎng)度沿微圓柱軸向呈非對(duì)稱分布,這一點(diǎn)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(zhǎng)度隨著寬高比和體比的增加而逐漸增大,且明顯大于遠(yuǎn)離加熱壁面區(qū)域的回流長(zhǎng)度；同時(shí),相同截面上的回流長(zhǎng)度和分離角隨著寬高比和體比的增加而逐漸增加。對(duì)于微肋陣,肋片尾流區(qū)的分離角和回流長(zhǎng)度與肋片所處位置有關(guān),同一排微肋片繞流的分離角沿流動(dòng)方向逐漸減小,同一微圓柱的繞流分離角隨Re數(shù)的增加而增大；微肋片繞流的回流長(zhǎng)度主要由肋片間距決定。通過(guò)對(duì)不同排布和肋片間距、肋高、水力直徑的微肋陣內(nèi)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),減小微肋片水力直徑、肋片間距或增加肋高可以強(qiáng)化微肋陣內(nèi)的對(duì)流換熱,而微肋陣沿流動(dòng)方向的列數(shù)的增加則使得對(duì)流換熱系數(shù)略有減小�；跀�(shù)值模擬結(jié)果獲得了新的阻力系數(shù)及Nu關(guān)聯(lián)式,能夠?qū)ξ⒗哧噧?nèi)部流動(dòng)特性進(jìn)行有效估算。通過(guò)模擬不同加熱功率下微肋陣內(nèi)流場(chǎng)與溫度場(chǎng)發(fā)現(xiàn),加熱功率的增大及其導(dǎo)致的流體熱物性變化使邊界層厚度的降低幅度達(dá)30%以上,因此明顯削弱了端壁面效應(yīng),強(qiáng)化了微肋陣內(nèi)的對(duì)流換熱,使Nu值增大20%以上。加熱功率的增加會(huì)弱化端壁面效應(yīng)對(duì)微肋陣內(nèi)對(duì)流換熱的影響,因此盡管微肋陣內(nèi)的對(duì)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(nèi)對(duì)流換熱Nu數(shù)之間的差距隨加熱功率的增加有所降低。工質(zhì)動(dòng)力粘度對(duì)于微肋陣內(nèi)對(duì)流換熱的影響要遠(yuǎn)高于其他熱物性參數(shù),本文研究范圍內(nèi)其對(duì)Nu數(shù)的影響因子高達(dá)20%以上。
【關(guān)鍵詞】：微肋陣 流動(dòng)阻力 對(duì)流換熱 疏水性 強(qiáng)化換熱
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TK124
【目錄】：

• 摘要12-15
• ABSTRACT15-20
• 主要符號(hào)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(nèi)單相流動(dòng)與傳熱25-29
• 1.2.1 流動(dòng)研究現(xiàn)狀26-27
• 1.2.2 對(duì)流換熱研究現(xiàn)狀27-29
• 1.3 微肋陣單相流動(dòng)與換熱29-37
• 1.3.1 不同形狀微肋陣流動(dòng)與換熱研究現(xiàn)狀30-33
• 1.3.2 幾何結(jié)構(gòu)對(duì)微肋陣流動(dòng)與換熱影響研究現(xiàn)狀33-36
• 1.3.3 流體工質(zhì)對(duì)微肋陣流動(dòng)與換熱影響研究現(xiàn)狀36-37
• 1.4 疏水性微通道內(nèi)流動(dòng)與換熱37-39
• 1.5 本課題研究?jī)?nèi)容及論文結(jié)構(gòu)39-41
• 第2章 微肋陣內(nèi)對(duì)流換熱特性實(shí)驗(yàn)研究41-65
• 2.1 引言41-42
• 2.2 微肋陣實(shí)驗(yàn)段42-44
• 2.3 對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)44-50
• 2.3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)試流程44-46
• 2.3.2 數(shù)據(jù)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(nèi)對(duì)流換熱對(duì)比50-51
• 2.5 不同截面形狀微肋陣內(nèi)對(duì)流換熱51-58
• 2.5.1 不同截面形狀微肋陣內(nèi)流動(dòng)阻力51-56
• 2.5.2 不同截面形狀微肋陣內(nèi)對(duì)流換熱56-58
• 2.6 變加熱功率下微肋陣內(nèi)對(duì)流換熱58-63
• 2.6.1 變加熱功率下微肋陣內(nèi)流動(dòng)阻力58-61
• 2.6.2 變加熱功率下微肋陣內(nèi)對(duì)流換熱61-63
• 2.7 本章小結(jié)63-65
• 第3章 疏水性微肋陣對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)研究65-95
• 3.1 引言65
• 3.2 實(shí)驗(yàn)段制備65-68
• 3.2.1 制備流程65-66
• 3.2.2 表面測(cè)試66-68
• 3.3 疏水性微肋陣內(nèi)流動(dòng)及換熱測(cè)試68-71
• 3.4 表面疏水性對(duì)微肋陣內(nèi)流動(dòng)阻力影響71-85
• 3.4.1 截面形狀對(duì)疏水性微肋陣內(nèi)減阻特性的影響72-78
• 3.4.2 接觸角對(duì)微肋陣內(nèi)減阻特性的影響78-85
• 3.5 表面疏水性對(duì)微肋陣內(nèi)對(duì)流換熱影響85-92
• 3.6 本章小結(jié)92-95
• 第4章 微肋陣內(nèi)流動(dòng)與換熱數(shù)值模擬95-130
• 4.1 引言95
• 4.2 單圓柱及微肋陣內(nèi)穩(wěn)態(tài)對(duì)流換熱的流動(dòng)分離數(shù)值模擬95-106
• 4.2.1 物理模型及網(wǎng)格95-96
• 4.2.2 控制方程及邊界條件96-98
• 4.2.3 計(jì)算方法驗(yàn)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(nèi)穩(wěn)態(tài)繞流模擬105-106
• 4.3 微肋陣內(nèi)對(duì)流換熱數(shù)值模擬106-118
• 4.3.1 物理模型及計(jì)算模型106-108
• 4.3.2 不同排布微肋陣內(nèi)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)108-115
• 4.3.3 不同幾何參數(shù)微肋陣內(nèi)的對(duì)流換熱115-117
• 4.3.4 數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比117-118
• 4.4 工質(zhì)熱物性對(duì)微肋陣內(nèi)對(duì)流換熱的影響118-127
• 4.4.1 物理模型及計(jì)算模型119-120
• 4.4.2 與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比及分析120-127
• 4.5 本章小結(jié)127-130
• 第5章 總結(jié)與展望130-137
• 5.1 全文總結(jié)130-134
• 5.2 本文創(chuàng)新點(diǎn)134-135
• 5.3 工作展望135-137
• 參考文獻(xiàn)137-161
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的主要成果161-163
• 致謝163-164
• 學(xué)位論文評(píng)閱及答辯情況表164

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7 付志鵬;采用萘升華技術(shù)對(duì)建筑外表面對(duì)流換熱的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2007年

8 張文武;城市不透水表面對(duì)流換熱系數(shù)的實(shí)測(cè)和模擬研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2008年

9 張翔;縫槽壁面強(qiáng)制對(duì)流換熱研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2013年

10 徐華;微注塑成型充模流動(dòng)中對(duì)流換熱的實(shí)驗(yàn)研究[D];大連理工大學(xué);2010年

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本文編號(hào)：693960