微柱群换热特性实验的研究.pdfVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：093404 微柱群换热特性实验研究 1 1 1* 2 张承武 ，管宁 ，刘志刚 ，梁世强 （1.山东省科学院能源研究所，济南 250014 ；2. 中国科学院工程热物理研究所，北京 100080 ） (*联系电话：0531；E-mail: zgliu9322@) 摘要： 以去离子水为工质，实验研究了直径为500µm、高度为700µm 的以叉排排列的微柱群内部换 热特性。采用电加热棒进行加热，测量微柱群板雷诺数（Re 数）在 100-1000 之间时的进出口温度与 流量，进而获得微柱群内部努谢尔特数（Nu 数），实验结果与理论值进行对比。研究结果表明，Nuseelt 数随Re 数和加热功率的增大而增大，当加热功率为150W 时，在整个Re 数范围内实验值与理论值相 符；当加热功率在50W 和100W 时，实验Nu 数随Re 数的增大逐渐从小与Zukauskas 关联式的值变为 与Zukauskas 关联式的值一致。 关键词： 微柱群；对流换热；Nusselt 数；壁面效应 0 前言 自20 世纪90 年代，随着超大规模集成电子及微电子机械系统（MEMS ）的迅猛发 展，其散热问题逐渐成为一个研究热点[1] 。因为微柱群能大幅增加换热结构的面体比， 同时利用柱群对流动的扰动可以实现在低Re 数时流动发生转捩，所以这一结构具有强 化传热作用，但是目前对微柱群内部对流换热研究仅局限于少量实验研究。Ali Koşar 和 Yoav Peles[2-3]实验研究了水力直径为99.5µm、高度为243µm 的微翅片热沉内R-123 的 单相换热特性，得到了其换热系数及Nu 数。研究发现，当Re 数较低时，尤其Re100 时，壁面效应的存在对热沉的换热能力影响较大，这导致了由常规尺度关联式计算得到 的Nu 数与实验值相比偏高。随着Re 数的增加，壁面效应对热沉换热的影响减弱，此时 利用常规换热关联式得到的Nu 数与实验值吻合较好。Yoav Peles[4]等实验研究了微翅片 热沉的换热与压降，研究发现微翅片热沉能在低壁温情况下可以有效对高发热热流器件 散热。在微翅片中，高Re 数情况下采用密集翅片结构和低Re 数下采用稀疏翅片结构可 以有效降低其热阻，短翅片结构可以增加翅片效率。 本文以去离子水为工质，实验研究直径为 500µm、高度为700µm 的微柱组成的微 柱群内部换热特性，并对实验结果做深入理论分析，阐述实验结果与经典理论值之间的 偏差及其原因。 1 实验装置与误差分析 1.1 实验装置 实验系统如图1 所示，整个装置由带有微柱群的实验段以及带有压力控制的供液回 *基金项目：自然科学基金（No. 200750706053 ），国家高技术研究发展计划（863 ）（2007AA05Z259 ） 作者简介：张承武（1977-），男，山东东营人，硕士，主要从事微尺度换热与流动领域研究。 路组成。实验所需压力由 12MPa 的高压氮气瓶提供，高压氮气经过气体过滤器及压力 控制装置后驱动储液罐内的去离子水进入节流管路，再经放置在实验段入口前的一段节 流管路降压后进入实验段，最后流入高精度量筒。实验中，通过调节精密减压阀可以控 制去离子水的流量；试验段前端设置的节流管路可以对来流节流降压，以此降低液体压 力的控制难度和对试验段进口压力的影响；试验段进出口设有热电偶和压力传感器以测 量进出口温度及进出口压力；液体质量流量的测量采用称重法和测量体积法完成，当液 体流量较小时采用称重法通过用电子天平（FA2004 型）进行测量，当液体流量较大时 直接通过量筒测量。 截止阀 数据采集系统 精密减压阀 器 器